يمكن للطلاءات النانوية من Forge Nano إطالة عمر بطارية السيارة الكهربائية

على مدى السنوات الـ 25 الماضية، ارتفع أطول مسافة قيادة للسيارة الكهربائية بشحنة واحدة من حوالي 260 كيلومترًا إلى ما يزيد قليلاً عن 800 كيلومتر. وعلى نحو متزايد، بدأت مجموعات البطاريات المتقدمة هذه أيضًا في تخزين الطاقة من الشبكة أو المصادر المتجددة لتشغيل المنازل أو الشركات. لا عجب إذن أن يتجاوز سوق بطاريات السيارات العالمية 50 مليار دولار أمريكي سنويًا، وأن هناك ضغوطًا متزايدة لإنتاج أعداد أكبر من البطاريات الأفضل.

الآن، تطبق العديد من الشركات تقنية كيميائية راسخة تسمى ترسيب الطبقة الذرية (ALD) لتغليف أقطاب البطارية بأكاسيد معدنية أو نيتريدات، والتي يزعمون أنها تعمل على تحسين سعة الطاقة وعمر بطاريات الليثيوم أيون. وتشمل الشركات شركة Forge Nano ومقرها ثورنتون بولاية كولورادو، وشركة Picosun (شركة فرعية مملوكة بالكامل لشركة Applied Materials ومقرها سانتا كلارا بولاية كاليفورنيا)، وشركة Beneq في إسبو بفنلندا؛ إنهم يستفيدون من هذه التقنية التي تم تطويرها في الأصل في الستينيات. وبعد سنوات من تحسين عملياتها، تأمل هذه الشركات الآن في الحصول على موطئ قدم في أسواق بطاريات السيارات الكهربائية والهواتف الذكية التي تهيمن عليها شركات عملاقة مثل CATL، وباناسونيك، وسامسونج.

من بين الثلاثة، يبدو أن Forge Nano لديه التكنولوجيا الأكثر تطورًا. وقد أعلنت مؤخرًا أن شركتها الفرعية Forge Battery، بدأت في إرسال عينات من نموذج أولي لخلية بطارية مصنوعة من مواد مطلية بـ ALD إلى العملاء للاختبار. وتقول الشركة إن تركيبة ALD الخاصة بها، والتي تسميها Atomic Armor، تجعل أقطاب البطاريات أفضل في تخزين الطاقة وتساعدها على الاستمرار لفترة أطول.

ما الذي يدخل في بطارية ليثيوم أيون؟

تتكون البطاريات الموجودة في السيارات الكهربائية والهواتف الذكية اليوم من ثلاثة مكونات رئيسية. الأنود، أو القطب السالب، المصنوع عادة من الجرافيت، هو المكان الذي يتم فيه تخزين أيونات الليثيوم أثناء عملية الشحن. يتكون الكاثود (القطب الموجب) من أكسيد معدن الليثيوم مثل أكسيد كوبالت الليثيوم أو فوسفات الليثيوم الحديد. ثم هناك الإلكتروليت، وهو ملح الليثيوم المذاب في مذيب عضوي يسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بين الأنود والكاثود. من المهم أيضًا استخدام الفاصل، وهو مادة شبه مسامية تسمح بحركة الأيونات بين الكاثود والأنود أثناء الشحن والتفريغ، ولكنها تمنع تدفق الإلكترونات مباشرة بين الاثنين، مما يؤدي إلى نفاذ البطارية بسرعة.

يتم ترسيب طلاء الكاثود لخلايا بطاريات البحث والتطوير بواسطة Forge Nano.صياغة نانو

وتقول هذه الشركات إن طلاء المواد التي يتكون منها الأنود والكاثود والفاصل على المستوى الجزيئي يعزز أداء البطاريات ومتانتها دون زيادة ملحوظة في وزنها أو حجمها.

. تتكون الأفلام من تفاعل كيميائي بين مادتين غازيتين، يتم إدخالهما إلى الركيزة بالتناوب. يتفاعل الأول مع سطح الركيزة في المواقع النشطة، وهي النقاط الموجودة على جزيئات السلائف وعلى سطح الركيزة حيث ترتبط المادتان كيميائيًا. بعد ذلك، بعد ضخ كل الغاز الأولي غير المتفاعل، يتم إدخال المادة الأولية التالية وترتبط مع المادة الأولية الأولى في المواقع النشطة الخاصة بها. تقنية ALD ذاتية الإنهاء، مما يعني أنه عندما تمتلئ جميع المواقع النشطة، يتوقف التفاعل. يشكل الفيلم طبقة ذرية واحدة في كل مرة، لذلك يمكن ضبط سمكه بدقة تصل إلى بضعة أعشار نانومتر ببساطة عن طريق قطع تعرض الركيزة للسلائف بمجرد الوصول إلى سمك الطلاء المطلوب.

في بطارية الليثيوم أيون التقليدية، مع أنود الجرافيت، تتم إضافة السيليكون (وأحيانًا مواد أخرى) إلى الجرافيت لتحسين قدرة الأنود على تخزين الأيونات. تعمل هذه الممارسة على زيادة كثافة الطاقة، لكن السيليكون أكثر عرضة للتفاعلات الجانبية مع المنحل بالكهرباء وللتوسع والانكماش أثناء الشحن والتفريغ، مما يضعف القطب الكهربي. في النهاية، يؤدي التدهور الميكانيكي إلى تقليل سعة تخزين البطارية. تتيح تقنية ALD، من خلال طلاء جزيئات الأنود بطبقة واقية، نسبة أعلى من السيليكون في الأنود مع تثبيط دورات التمدد والانكماش وبالتالي إبطاء التدهور الميكانيكي. والنتيجة هي بطارية أخف وزنًا وأكثر كثافة في استخدام الطاقة وأكثر متانة من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية.

تقول شركة Picosun إن تقنية ALD الخاصة بها قد تم استخدامها لإنشاء أنودات أكسيد النيكل المطلية بأكثر من ضعف سعة تخزين الطاقة وثلاثة أضعاف كثافة الطاقة لتلك التي تعتمد على الجرافيت التقليدي.

ما حجم الفائدة؟ يقول Forge Nano أنه على الرغم من أن اختبار الطرف الثالث والتحقق من صحته جاري، إلا أنه من السابق لأوانه تقديم بيانات نهائية حول عمر البطاريات المعززة بالطلاء. لكن المتحدث باسم الشركة قال IEEE الطيف وتشير البيانات التي تلقتها حتى الآن إلى أن الطاقة المحددة قد تحسنت بنسبة 15 بالمائة مقارنة بالبطاريات المماثلة الموجودة حاليًا في السوق.

لقد راهنت الشركة بشكل كبير على أن اللاعبين على طول سلسلة إنتاج البطاريات – بدءًا من مصنعي الأنودات والكاثودات إلى موردي البطاريات من المستوى الأول، وحتى الشركات المصنعة للسيارات الكهربائية – سوف ينظرون إلى تعاملها مع ALD كخطوة لا بد منها في تصنيع البطاريات . تقوم شركة Forge Battery ببناء مصنع ضخم تبلغ مساحته 25.700 متر مربع في ولاية كارولينا الشمالية، وتقول إنه سينتج 1 جيجاوات في الساعة من خلايا أيون الليثيوم المعززة بـ Atomic Armor والبطاريات الجاهزة عندما يصبح جاهزًا للعمل في عام 2026.