السباق ل تطوير بطاريات الحالة الصلبة اكتسبت بطاريات الليثيوم أيون أهميةً متزايدةً في السنوات الأخيرة، مع التركيز على السيارات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية وأنظمة تخزين الطاقة. ويُنظر إلى هذا التطور على أنه القفزة الكبرى التالية نحو تجاوز قيود بطاريات الليثيوم أيون الحالية، التي بدأت تقنيتها تقترب من حدودها القصوى من حيث المدى والسلامة وسعة الشحن.
تتسابق شركات التكنولوجيا والسيارات، إلى جانب مراكز الأبحاث حول العالم، لتحقيق وعود هذه التقنية. ومع ذلك، التحديات الصناعية والأمنية إنهم يقومون بتمديد المواعيد النهائية التي، وفقًا لخبراء الصناعة، لن تسمح بالانتشار الجماعي قبل العقد المقبل.
ماذا تقدم البطاريات ذات الحالة الصلبة مقارنة بالبطاريات الحالية؟
ال تحل البطاريات الصلبة محل الإلكتروليت السائل شائعة في خلايا أيونات الليثيوم عن طريق المواد الصلبة، مثل البوليمرات أو السيراميك، مما يحسن كثافة الطاقة وتوفير أمان أكبر ضد ارتفاع درجة الحرارة أو التسربات. ومن أبرز مزاياها إمكانية تحقيق مدى يزيد عن 1.200 أو حتى 1.500 كم في المركبات الكهربائية، أوقات شحن أقصر بكثير، وزن وحجم أقل، والقضاء على مخاطر الحرائق أو التدهور المتسارع في ظل الظروف القاسية.
وهناك فائدة إضافية وهي أن لا يتأثر أداؤهم في البيئات الباردة، وهي مشكلة تواجه البطاريات التقليدية، ويمكنها حتى الحفاظ على ثباتها تحت الصفر. علاوة على ذلك، يتيح التصميم المدمج استخدامًا أفضل للمساحة داخل السيارة وتوزيعًا أفضل للوزن.
فيما يتعلق بالتصنيع، تتوافق بعض تصاميم بطاريات الحالة الصلبة المتقدمة مع خطوط إنتاج أيونات الليثيوم الحالية، مما يُسهّل عملية انتقال صناعي أقل تكلفة مما كان متوقعًا في البداية. ستسمح النماذج ذات الهياكل متعددة الطبقات وتصميمات "من الخلية إلى الجسم" (CTB) بدمج البطارية في هيكل السيارة، مما يُحسّن الكفاءة الحجمية والسلامة العامة للسيارة.
الأبحاث وبراءات الاختراع والتوقعات: موقف شاومي والعلامات التجارية الأخرى
يتجلى الاهتمام العالمي بهذه التقنية في الترويج للعديد من المشاريع وبراءات الاختراع. ومن أبرز الأمثلة على ذلك: قدمت شركة Xiaomi مؤخرًا براءة اختراع والتي توضح بالتفصيل هيكل متعدد الطبقات متقدم للأقطاب الكهربائية ودمج المواد الفعالة مع الإلكتروليت الصلب. سيحقق النظام، الذي يبلغ ارتفاعه 120 مم فقط، كفاءة حجمية تبلغ 77,8%، ويوفر مدى نظريًا يتجاوز 1.200 كيلومتر، مع القدرة على استعادة مسافة تصل إلى 800 كيلومتر في 10 دقائق فقط من الشحن.
وفقًا للشركة، سيُسهّل هذا الإنجاز الإنتاجَ الضخم دون الحاجة إلى إعادة ابتكار العملية الصناعية كليًا، نظرًا لتوافق البطارية مع خطوط التصنيع الحالية. علاوةً على ذلك، ينتظر تصميم "خلية إلى جسم" تطبيقات تجارية مستقبلية في طرازات الشركة الكهربائية الجديدة، كوسيلة لتقليل الاعتماد على الموردين الخارجيين الكبار.
La تحالف CASIP الصينيهذه المبادرة، التي تجمع شركات مثل CATL وEVE Energy وCALB وSVOLT وGotion High-Tech وقسم بطاريات FinDreams التابع لشركة BYD، تعكس الجهد الجماعي للقطاع في آسيا. هذا بالإضافة إلى إعلانات تويوتا وبي إم دبليو - اللتين تختبران بالفعل نماذج أولية - وعلامات تجارية مثل SAIC وNIO وChangan، التي تخطط لإطلاق إنتاج على نطاق صغير بين عامي 2027 و2028.
العقبات التقنية والطريق إلى بطاريات الحالة الصلبة
على الرغم من الإمكانات، إن التحديات التقنية التي تواجه التنفيذ الجماعي كبيرةالسبب الرئيسي يكمن في استخدام الليثيوم المعدني النقي عند الأنود، وهو شرط ضروري لتحقيق كثافات طاقة عالية. يتطلب هذا الخيار الحفاظ على البطارية عند ضغوط عالية جدًا، مما يُعقّد عملية التصنيع، ويزيد من خطر تلف هيكلها، وقد يُقصّر عمرها الافتراضي. علاوة على ذلك، في حال تلف الغلاف، قد يُؤدي تلامس الليثيوم مع الرطوبة المحيطة إلى تفاعلات خطيرة، مثل تكوّن هيدروكسيد الليثيوم السام.
ويحذر المسؤولون التنفيذيون في الشركات الكبرى، مثل روبن زينج، الرئيس التنفيذي لشركة CATL، من أن إن هذه التكنولوجيا ليست عملية أو آمنة حتى الآن للإنتاج والاستخدام الضخم.ويُقدّرون أن طرحه في السوق سيتأخر عقدًا على الأقل. ويتوافق هذا التحليل الحذر مع تجارب المصنّعين الذين، بعد سنوات من البحث واستثمارات بملايين الدولارات، لا يزالون يواجهون مشاكل المتانة والضغط والتكلفة.
وبالتوازي مع ذلك، استكشف الباحثون في معهد جورجيا للتكنولوجيا مزيجًا من الليثيوم والصوديوم كمحلول كهربائي لتقليل الضغط المطلوب وتحسين الاستقرار العام للبطارية، مما يدل على أن التعديلات الصغيرة في التركيبة يمكن أن تكون مفتاحًا لحل بعض النقاط الحرجة.
البدائل الوسيطة وتطوير البطاريات شبه الصلبة
في حين يتم حل التحديات التقنية للبطاريات ذات الحالة الصلبة النقية، ويعمل القطاع على حلول هجينة، وخاصةً فيما يُسمى بالبطاريات شبه الصلبة. تجمع هذه البطاريات بين مزايا الإلكتروليت الصلب والسائل، مما يحقق ضعف الاستقلالية مقارنة بالاستقلالية الحالية، تقليل الوزن والتكاليف، وزيادة السلامة من خلال تجنب مشاكل الضغط والتفاعلات الخطيرة لليثيوم المعدني.
لدى شركات صينية مثل CATL نماذج أولية لبطاريات شبه صلبة قيد الإنتاج، بينما تستكشف شركات أخرى، مثل NIO وSAIC وChangan، تركيبات كيميائية وتكوينات مختلفة. نماذج مثل IM L6 وNio ET7 تُطبّق بالفعل بطاريات شبه صلبة تجاريًا في الصين. في أوروبا واليابان، تُطوّر Stellantis وBMW وToyota اختباراتها وتطويرها.
أيضا، بطاريات أيونات الصوديوم وقد بدأ النظر إليها كخيار قابل للتطبيق للتطبيقات الثابتة على المدى القصير أو المتوسط، وذلك بفضل وفرة الصوديوم وتنويع سلسلة التوريد.
التأثير على استقلالية واستدامة ومستقبل التنقل الكهربائي
إن ظهور البطاريات ذات الحالة الصلبة لديه القدرة على إحداث ثورة في مجال التنقل الكهربائي: مدى يتراوح من 1.200 إلى 1.500 كيلومتر، وشحنات فائقة السرعة وفرص تصميم جديدة للمصنّعين. ومع ذلك، فإن نجاحهم النهائي سيعتمد على معالجة القضايا التقنية والاقتصادية. تكلفة المواد، وإمكانية التوسع في التصنيع والوصول إلى المعادن الحيوية دون التسبب في مخاطر جيوسياسية أو بيئية.
في الوقت الحالي، يستمر الطلب على المعادن مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل في النمو، ولكن هناك أيضًا بدائل كيميائية مثل فوسفات الحديد الليثيوم وبطاريات الصوديوم آخذة في الظهور، والتي تسعى إلى تقليل الاعتماد على المواد الحيوية والتحرك نحو كهربة أكثر استدامة وبأسعار معقولة.
تستمر تقنية بطاريات الحالة الصلبة في التطور، وإن لم تكن جاهزة بعد لتحل محل الحلول الحالية في السوق السائدة. تُنبئ الابتكارات في الهياكل متعددة الطبقات، وتحسين نقل الأيونات، وخفض التكاليف بمستقبل واعد، إلا أن هذا التحول سيعتمد على الإنجازات التقنية والتكيف الصناعي وقبول المستهلك. في الوقت نفسه، تُقدم الحلول الوسيطة، مثل بطاريات الحالة الصلبة شبه الصلبة، حلولاً لتحديات الطاقة الحالية، وتمهد الطريق نحو تنقل أنظف وأكثر أمانًا وكفاءة في السنوات القادمة.