بطاريات الحالة شبه الصلبة: قريبًا للسيارات الكهربائية
في وقت سابق من هذا الشهر، أعلنت الصين أنها ستضخ 6 مليارات يوان (حوالي 827 مليون دولار أمريكي) في صندوق يهدف إلى تحفيز تطوير بطاريات الحالة الصلبة من قبل الشركات الرائدة في تصنيع البطاريات في البلاد. تستخدم بطاريات الحالة الصلبة إلكتروليتات مصنوعة من الزجاج أو السيراميك أو مادة البوليمر الصلبة بدلاً من أملاح الليثيوم السائلة الموجودة في الغالبية العظمى من بطاريات السيارات الكهربائية (EV) اليوم. إنها متوقعة إلى حد كبير لأنها ستتمتع بكثافة طاقة تبلغ ثلاثة أو أربعة أضعاف كثافة البطاريات التي تحتوي على إلكتروليتات سائلة، وستوفر المزيد من دورات تفريغ الشحن على مدى عمرها الافتراضي، وستكون أقل عرضة بكثير للتفاعل الحراري الجامح الذي يتسبب أحيانًا في اصطدام بطاريات الليثيوم نار.
لكن استثمار الصين في مستقبل البطاريات لن يؤدي على الأرجح إلى تسريع الجدول الزمني للإنتاج الضخم واستخدامها في إنتاج المركبات. مثل IEEE الطيفكما أشار في شهر يناير، فإنه ليس من الواقعي البحث عن بطاريات الحالة الصلبة في مركبات الإنتاج في أي وقت قريب. الخبراء نطاق تمت استشارته في ذلك الوقت “لاحظ وجود شكوك واضحة تجاه المزايا الفنية لهذه الإعلانات. لا أحد يستطيع عزل أي شيء في الأفق يشير إلى أن تكنولوجيا الحالة الصلبة يمكنها الهروب من “جحيم الهندسة والإنتاج” الذي ينتظرنا.
“إن القول في هذه المرحلة بأن أي بطارية واحدة واستثمارات أي دولة في مجال البحث والتطوير في مجال البطاريات سوف تهيمن في المستقبل هو ببساطة أمر غير صحيح.” – ستيف دبليو مارتن، جامعة ولاية آيوا
سيتطلب الوصول إلى إنتاج واسع النطاق لبطاريات الحالة الصلبة للمركبات الكهربائية أولاً التحقق من صحة تقنيات بطاريات الحالة الصلبة الحالية – التي تُستخدم الآن في تطبيقات أخرى أقل تطلبًا – من حيث الأداء والعمر والتكلفة النسبية لدفع المركبات. لا يزال يتعين على الباحثين تحديد كيفية تحمل تلك البطاريات للشحنة والاحتفاظ بها وتوصيل الطاقة مع تقدم العمر. سيحتاجون أيضًا إلى تقديم دليل على أن البطارية الزجاجية أو السيراميكية يمكن أن تصمد أمام التنافر الذي يأتي مع القيادة على الطرق الوعرة والشهادة بقدرتهم على تحمل ثني الرفارف العرضية.
هنا تأتي بطاريات الحالة شبه الصلبة
وفي الوقت نفسه، بينما ينتظر العالم أن تقوم الإلكتروليتات الصلبة بدفع السوائل جانبًا، تعاونت شركة تصنيع السيارات الكهربائية الصينية Nio وشركة تصنيع البطاريات WeLion New Energy Technology Co. في المطالبة بالمطالبة في السوق بخيار ثالث يقسم الفارق: شبه صلب- بطاريات الدولة، مع الشوارد هلام.
ذكرت Car News China في أبريل أن خلايا WeLion تتمتع بكثافة طاقة تبلغ 360 واط/ساعة لكل كيلوغرام. تبلغ كثافة البطارية المعبأة بالكامل 260 وات/كجم. ولا يزال هذا تحسنًا كبيرًا مقارنة ببطاريات ليثيوم فوسفات الحديد، التي تصل كثافتها إلى 160 واط/كجم. وفي الاختبارات التي أجريت الشهر الماضي على سيارات Nio الكهربائية في شنغهاي وتشنغدو والعديد من المدن الأخرى، قدمت مجموعات بطاريات WeLion أكثر من 1000 كيلومتر من نطاق القيادة بشحنة واحدة. وتقول Nio إنها تخطط لطرح نوع البطارية الجديد عبر تشكيلة سياراتها بدءًا من هذا الشهر.
لكن سخاء حكومة بكين ومحاولة الشراكة بين Nio-WeLion لتكون أول من يدخل بطاريات الحالة الصلبة في مركبات الإنتاج لا ينبغي أن يكون إغراءً لتسمية لعبة دفع السيارات الكهربائية قبل الأوان لصالح الصين.
هكذا يقول ستيف دبليو مارتن، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة ولاية آيوا في أميس. يعتقد مارتن، الذي تشمل مجالات أبحاثه الشوارد الصلبة الزجاجية لبطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة والأنودات القابلة للعكس عالية السعة لبطاريات الليثيوم، أن بطاريات الحالة الصلبة هي المستقبل وأن البطاريات شبه الصلبة الهجينة من المرجح أن تكون بمثابة انتقال بين السائل والصلب -بطاريات الدولة. ومع ذلك، كما يقول، “إن القول في هذه المرحلة بأن أي بطارية واحدة واستثمارات أي دولة في مجال البحث والتطوير في مجال البطاريات سوف تهيمن في المستقبل هو ببساطة أمر غير صحيح”. يوضح مارتن أن “هناك أنواعًا كثيرة جدًا من بطاريات الحالة الصلبة التي يتم تطويرها حاليًا، ولا يوجد لدى أي منها تقدم تكنولوجي واضح”.
مزايا بطاريات الحالة شبه الصلبة
الابتكار الرئيسي الذي يمنح البطاريات شبه الصلبة ميزة على البطاريات التقليدية هو المنحل بالكهرباء شبه الصلبة الذي حصلت منه على اسمها. يحتوي الإلكتروليت الهلام على موصلات أيونية مثل أملاح الليثيوم تمامًا كما تفعل الإلكتروليتات السائلة، ولكن الطريقة التي يتم بها تعليقها في مصفوفة الهلام تدعم التوصيل الأيوني الأكثر كفاءة. يؤدي النقل المعزز للأيونات من أحد جانبي البطارية إلى الجانب الآخر إلى تعزيز تدفق التيار في الاتجاه المعاكس مما يؤدي إلى إنشاء دائرة كاملة. يعد هذا أمرًا مهمًا أثناء مرحلة الشحن لأن العملية تحدث بسرعة أكبر مما يمكن أن يحدث في البطارية التي تحتوي على إلكتروليت سائل. يقاوم هيكل الجل أيضًا تكوين التشعبات، وهي الهياكل الشبيهة بالإبرة التي يمكن أن تتشكل على الأنود أثناء الشحن وتسبب دوائر قصيرة. بالإضافة إلى ذلك، المواد الهلامية أقل تطايرًا من الإلكتروليتات السائلة وبالتالي فهي أقل عرضة للاشتعال.
على الرغم من أن البطاريات شبه الصلبة لن تصل إلى كثافات الطاقة وعمر الخدمة المتوقع من تلك التي تحتوي على إلكتروليتات صلبة، إلا أنها تتمتع بميزة على المدى القصير لأنه يمكن تصنيعها على خطوط إنتاج بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. وبنفس القدر من الأهمية، فقد تم اختبارها وهي متاحة الآن وليس في تاريخ غير معروف حتى الآن.
يمكن تصنيع البطاريات شبه الصلبة باستخدام خطوط إنتاج بطاريات الليثيوم أيون التقليدية.
تعمل العديد من الشركات إلى جانب WeLion على تطوير بطاريات شبه صلبة. إن شركات تصنيع البطاريات البارزة في الصين، بما في ذلك CATL وBYD وشركات صناعة السيارات المملوكة للدولة FAW Group وSAIC Group، مثل WeLion، هي المستفيدة من خطط بكين لتطوير تكنولوجيا البطاريات من الجيل التالي محليًا. وبشكل منفصل، تتعاون شركة Farasis Energy الناشئة، التي تأسست في غانتشو بالصين في عام 2009، مع شركة مرسيدس بنز لتسويق البطاريات المتقدمة.
الطريق إلى بطاريات الحالة الصلبة
تقول شركة QuantumScape الأمريكية الناشئة إن بطاريات الليثيوم المعدنية الصلبة التي تطورها ستوفر كثافة طاقة تبلغ حوالي 400 واط ساعة / كجم. وتشير الشركة إلى أن خلاياها تقضي على اختناق الشحن الذي يحدث في خلايا أيون الليثيوم التقليدية، حيث يجب أن ينتشر الليثيوم في جزيئات الكربون. وبالتالي فإن بطاريات QuantumScape المتقدمة ستسمح بالشحن السريع من 10 إلى 80 بالمائة خلال 15 دقيقة. وهذا أمر بعيد المنال، لكن الشركة التي يقع مقرها في وادي السيليكون أعلنت في مارس الماضي أنها بدأت في شحن النموذج الأولي لخلايا الحالة شبه الصلبة Alpha-2 إلى الشركات المصنعة للاختبار.
تويوتا هي من بين مجموعة من الشركات التي لا تتطلع إلى التحوط في رهاناتها. تهدف شركة صناعة السيارات، متجاهلة الرافضين، إلى تسويق بطاريات الحالة الصلبة بحلول عام 2027 والتي تقول إنها ستمنح السيارة الكهربائية نطاقًا يصل إلى 1200 كيلومتر بشحنة واحدة وتسمح بـ 10 دقائق شحن سريع. وتعزو تفاؤلها إلى الاختراقات التي تعالج قضايا المتانة. وبالنسبة لشركات مثل Solid Power، فهي أيضًا حالة صلبة أو فاشلة. دخلت شركة Solid Power، التي تهدف إلى تسويق بطارية الليثيوم باستخدام إلكتروليت صلب قائم على كبريتيد، في شراكة مع شركات صناعة السيارات الكبرى Ford وBMW. تدعي شركة ProLogium Technology، التي تمضي قدمًا أيضًا في الاستعدادات لطرح بطارية الحالة الصلبة، أنها ستبدأ في تسليم البطاريات هذا العام التي تجمع بين إلكتروليت أكسيد السيراميك وكاثود ناعم خالٍ من الليثيوم (لكثافة طاقة تتجاوز 500 واط ساعة/كجم). . وأظهرت الشركة، التي تعاونت مع مرسيدس-بنز، ثقتها في جدولها الزمني من خلال افتتاح أول مصنع في العالم لبطاريات الليثيوم سيراميك الحالة الصلبة على مستوى جيجا في وقت سابق من هذا العام في تاوكي، تايوان.
من مقالات موقعك
مقالات ذات صلة حول الويب
