صعود بطاريات الحالة الصلبة في المركبات الكهربائية

تُحدث السيارات الكهربائية تغييرًا سريعًا في طريقة تنقل الناس، لكنها لا تزال بحاجة إلى بطاريات أفضل. تزعم تقنية بطاريات الحالة الصلبة أنها تُشحن البطاريات أسرع، وتخزن طاقة أكبر، وتُوفر أمانًا أكبر. تُستثمر شركات عالمية مثل فولكس فاجن ونيسان وتويوتا بكثافة في هذه الفكرة الجديدة. في هذا الدليل المُفصّل، سنناقش كل شيء عن بطاريات الحالة الصلبة، بدءًا من آلية عملها وإيجابياتها وسلبياتها، وصولًا إلى سوقها المُستقبلي.

نبذة تاريخية عن بطارية الحالة الصلبة

اكتشف الباحثون في خمسينيات القرن الماضي أن بعض البلورات قادرة على توصيل الأيونات، مما أدى إلى فكرة استخدام إلكتروليت صلب. كانت هذه الاختبارات المبكرة بسيطة نوعًا ما، إلا أنها أدت إلى أفكار جديدة. في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، بحث العلماء في السيراميك والبوليمرات التي تسمح للأيونات بالانتقال في درجة حرارة الغرفة. استُخدمت بطاريات الحالة الصلبة الرقيقة في الأجهزة الصغيرة مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب، ولكن لم يكن من الممكن تصنيعها بحجم كافٍ للسيارات بعد. في العقدين الأولين من القرن الحادي والعشرين، أصبحت بطاريات أيونات الليثيوم معيارًا في الإلكترونيات والمركبات الكهربائية .

ماذا عن أخبار البطاريات ذات الحالة الصلبة اليوم؟

اليوم، تتسابق كل شركات صناعة السيارات الكبرى تقريبًا لتسويق تقنية البطاريات ذات الحالة الصلبة، والتي يمكن أن تغير طريقة تصميم المركبات الكهربائية وتشغيلها واستخدامها.

• تخطط شركة تويوتا لإطلاق مركبات هجينة تعمل ببطاريات الحالة الصلبة بحلول عامي 2027 و2028، مع التركيز على الشحن الأسرع وعمر البطارية الأطول.

• تُطوّر نيسان تقنيتها للسيارات الكهربائية ذات الحالة الصلبة (ASSB) وتُنشئ مصنع إنتاج تجريبي في يوكوهاما، اليابان. وتخطط الشركة لبدء إنتاج كميات كبيرة من هذه السيارات بحلول عام ٢٠٢٨، وتعتقد أنه بمجرد إنتاجها، ستُصبح تكلفة السيارات الكهربائية ذات بطاريات الحالة الصلبة مساوية لتكلفة السيارات التي تعمل بالبنزين.

• عرضت شركة QuantumScape ، بدعم من فولكس فاجن، نماذج أولية لخلايا قادرة على شحن من 10% إلى 80% في أقل من 15 دقيقة. قد يُحدث هذا نقلة نوعية في طريقة عمل السيارات الكهربائية.

• بدأت شركة Solid Power التصنيع التجريبي في الولايات المتحدة مع BMW وFord، وهو ما يقربها من تصنيع البطاريات الجاهزة للبيع.

يتسارع الزخم في جميع أنحاء الصناعة. يتجاوز الاستثمار العالمي في البحث والتطوير في مجال بطاريات الحالة الصلبة الآن 20 مليار دولار، وقد أعلنت العديد من شركات صناعة السيارات عن مصانع تجريبية أو خطوط إنتاج مبكرة. في هذه المرحلة، لم يعد التسويق التجاري مسألة "هل" بل "متى".

متى ستصبح السيارات الكهربائية ذات البطاريات الصلبة متاحة؟

يتوقع خبراء الصناعة أن تكون المركبات الكهربائية العاملة ببطاريات الحالة الصلبة متاحةً بحلول عامي 2027 و2028، بدءًا من الطرازات الفاخرة والهجينة. ومن المتوقع أن ينتشر استخدامها على نطاق واسع في أوائل ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين، مع ازدياد فعالية التصنيع من حيث التكلفة. ومن المرجح أن تظهر التكرارات الأولية في المركبات الهجينة ، نظرًا لسهولة اختبار البطاريات الأصغر حجمًا والإشراف عليها. وفي السنوات العشر القادمة، قد تصبح تقنية بطاريات الحالة الصلبة هي السائدة في معظم المركبات الكهربائية. ومع تقدم الإنتاج الضخم، قد تحقق بطاريات الحالة الصلبة ما يلي:

• توفير مدى يتراوح بين 497 و620 ميلاً لكل شحنة

• تمكين الشحن السريع لمدة 10 دقائق

• تقليل وزن السيارة الكهربائية بنسبة تصل إلى 30%

• تدوم لأكثر من 1000 ميل قبل الاستبدال

ما هي البطارية ذات الحالة الصلبة؟

بطارية الحالة الصلبة هي حل متطور لتخزين الطاقة، يستخدم إلكتروليتًا صلبًا بدلًا من السائل أو الهلامي. أثناء الشحن والتفريغ، تُسهّل الطبقة الصلبة حركة أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود. تُجنّب هذه الطريقة احتمالية حدوث تسرب أو حريق. كما يُمكن إضافة أنودات من معدن الليثيوم، وهي تتمتع بقدرة تخزين طاقة أكبر بكثير من الجرافيت في بطاريات أيونات الليثيوم.

من ماذا تتكون البطارية الصلبة؟

تتكون البطاريات ذات الحالة الصلبة من ثلاثة مكونات رئيسية:

• الكاثود: عادة ما يتم تصنيعه من أكاسيد تعتمد على الليثيوم مثل NMC أو LFP.

• الأنود: غالبًا ما يكون معدن الليثيوم، ويوفر قدرة كبيرة على تخزين الطاقة.

• الإلكتروليت: طبقة صلبة من المركبات الخزفية أو الكبريتيدية أو البوليمرية التي تنقل الأيونات.

ينتج عن هذا المزيج بنية بطارية مدمجة، قوية، وأكثر أمانًا. كما يمكن استخدام مواد مختلفة من بطاريات الحالة الصلبة كإلكتروليتات، ولكل منها مزاياها:

• أكسيد قائم على (LLZO): مستقر وآمن ولكنه هش

• القائم على الكبريتيد (LPS): موصلية ممتازة ولكنها حساسة للرطوبة.

• يعتمد على البوليمر: مرن وأرخص، على الرغم من أنه أقل كفاءة في درجات الحرارة المنخفضة.

ويظل إيجاد التوازن المثالي بين الأداء والتكلفة وإمكانية التصنيع هو التحدي الرئيسي.

ما هي أنواع البطاريات ذات الحالة الصلبة؟

تنقسم بطاريات الحالة الصلبة بشكل رئيسي إلى بطاريات سائبة وبطاريات رقيقة. تستخدم بطاريات الحالة الصلبة السائبة إلكتروليتات صلبة أكثر سمكًا، مما يوفر تخزينًا عاليًا للطاقة مناسبًا للسيارات الكهربائية، على الرغم من صعوبة تصنيعها بشكل متواصل. تستخدم بطاريات الحالة الصلبة الرقيقة طبقات رقيقة للغاية تسمح بشحن أسرع وعمر افتراضي أطول، لكنها تخزن طاقة أقل. تُعد هذه البطاريات مثالية للإلكترونيات المدمجة والأجهزة القابلة للارتداء، بينما تظل التصاميم السائبة محور الاهتمام لتطبيقات السيارات الكهربائية المستقبلية.

ما هي البطارية شبه الصلبة؟

تمزج بطاريات الحالة شبه الصلبة مكونات صلبة وسائلة، مكونةً إلكتروليتًا هلاميًا. يُحسّن هذا النهج الهجين السلامة والأداء مقارنةً بتصاميم أيونات الليثيوم التقليدية، ويُبسّط عملية التصنيع مقارنةً بخلايا الحالة الصلبة بالكامل. تدرس شركات مثل CATL وNIO أنظمة الحالة شبه الصلبة كجسرٍ نحو بطاريات الحالة الصلبة الأصلية.

كيف تعمل بطارية الحالة الصلبة؟

أثناء الشحن، تنتقل أيونات الليثيوم عبر الإلكتروليت الصلب من الكاثود إلى الأنود، حيث تُخزَّن الطاقة. عند التفريغ، تعود الأيونات إلى مكانها، مُولِّدةً تيارًا كهربائيًا يُشغِّل المحرك. ولأنها لا تحتوي على سائل قابل للاشتعال، فإن بطاريات الحالة الصلبة أكثر أمانًا واستقرارًا. كما أنها تُقلِّل من تكوُّن التغصنات، وهي هياكل إبرية الشكل قد تُسبِّب قصرًا في دوائر الخلايا التقليدية.

البطارية ذات الحالة الصلبة مقابل بطارية ليثيوم أيون: أيهما أفضل؟

يستخدم كلا النوعين من البطاريات الليثيوم لتخزين الطاقة وإطلاقها، إلا أن تصميميهما الداخليين يختلفان. تستخدم بطاريات أيونات الليثيوم إلكتروليتًا سائلًا ينقل الأيونات بسرعة، ولكنه قد يشتعل ويتآكل بمرور الوقت. أما بطاريات الحالة الصلبة، فبدلًا من السائل، تستخدم إلكتروليتًا صلبًا يتكون من مواد سيراميكية أو بوليمرية.

تتميز بطاريات الحالة الصلبة بقدرتها على تخزين طاقة أكبر، وشحن أسرع، وهي أكثر أمانًا لأنها غير معرضة للتسرب أو الاشتعال. كما أنها تدوم لفترة أطول وتعمل بشكل أفضل في الظروف الصعبة. لا تزال بطاريات أيونات الليثيوم أكثر أنواع البطاريات شيوعًا اليوم، نظرًا لرخص تصنيعها وامتلاكها سلسلة توريد عالمية راسخة. من حيث الأداء والسلامة، تُعد بطاريات الحالة الصلبة أفضل، لكن بطاريات أيونات الليثيوم لا تزال أرخص وأسهل في الحصول عليها.

ما هي مميزات وعيوب البطاريات ذات الحالة الصلبة؟

فيما يلي مزايا وعيوب البطاريات ذات الحالة الصلبة:

مزايا بطاريات الحالة الصلبة

• كثافة طاقة أعلى: إن تخزين المزيد من الطاقة في حزمة أصغر وأخف وزناً يعني مدى قيادة أطول للسيارات الكهربائية.

• شحن أسرع: تدعم الإلكتروليتات الصلبة تدفق تيار أعلى، مما قد يقلل أوقات الشحن إلى النصف.

• تحسين السلامة: لا يحتوي على سوائل قابلة للاشتعال، ولا تسرب حراري، وهو أكثر أمانًا بكثير من بطاريات أيون الليثيوم.

• عمر أطول: تتمتع الخلايا ذات الحالة الصلبة بالقدرة على تحمل آلاف دورات الشحن مع الحد الأدنى من فقدان السعة.

• تصميم مضغوط: يؤدي التخلص من أنظمة السوائل الثقيلة إلى توفير مجموعات بطاريات أخف وزناً وأصغر حجماً.

• احتياجات صيانة وتبريد أقل: تولد البطاريات ذات الحالة الصلبة حرارة أقل، مما يقلل الحاجة إلى أنظمة تبريد معقدة.

عيوب بطاريات الحالة الصلبة

• تكلفة التصنيع العالية: تتطلب الإلكتروليتات الصلبة تصنيعًا دقيقًا ومواد متخصصة، مما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف.

• تحديات التوسع: لا يزال إنتاج طبقات صلبة متسقة وخالية من العيوب على نطاق واسع أمرًا صعبًا.

• الحدود المتعلقة بدرجة الحرارة: تعمل بعض الإلكتروليتات الصلبة بشكل سيئ في الظروف الباردة، مما يؤثر على التوصيل.

• مخاطر نمو الشجيرات: في ظل ظروف معينة، لا تزال الشجيرات قادرة على التشكل وإتلاف الطبقة الصلبة.

• التوفر المحدود: لا يزال الإنتاج الكامل على بعد 3 إلى 5 سنوات، لذا فإن هذه البطاريات غير موجودة حاليًا في معظم السيارات الكهربائية التجارية.

التوقعات المستقبلية: التأثير البيئي والاقتصادي للبطاريات ذات الحالة الصلبة

توفر بطاريات الحالة الصلبة مستقبلاً أنظف وأكثر استدامة للسيارات الكهربائية . فالتحول من الإلكتروليتات السائلة إلى المواد الصلبة يزيل المذيبات الضارة، ويقلّل من مخاطر الحريق، ويطيل عمر البطارية، مما يُقلّل من عمليات الاستبدال والنفايات. كما تُمكّن كثافة الطاقة المتزايدة السيارات الكهربائية من قطع مسافات أطول باستخدام بطاريات أصغر وأخف وزنًا، مما يُقلّل الحاجة إلى المواد الخام ويُخفّض إجمالي انبعاثات الكربون.

من الناحية الاقتصادية، لا تزال بطاريات الحالة الصلبة باهظة الثمن في تصنيعها نظرًا للمواد المبتكرة وأساليب الإنتاج المعقدة المستخدمة. ومع ازدياد الإنتاج والتقدم التكنولوجي، من المتوقع أن تنخفض التكاليف بشكل ملحوظ بحلول أواخر عشرينيات القرن الحالي. قد يؤدي هذا التغيير إلى زيادة سهولة الوصول إلى المركبات الكهربائية وجعلها صديقة للبيئة، مما يُسهم في تحقيق تقدم كبير في مجال الحفاظ على البيئة وكفاءة الطاقة في قطاع السيارات.