في حين أن بطاريات الليثيوم أيون الحالية تلبي العديد من احتياجات التنقل، إلا أنها بعيدة عن الكمال. ومن الممكن تحسين كثافة الطاقة الخاصة بها، ويمكن أن يختفي خطر نشوب حريق باستخدام بطاريات الحالة الصلبة. دعونا نقيم هذه التكنولوجيا الثورية المحتملة.
في السنوات الأخيرة، سمعنا كثيرًا عن بطاريات الحالة الصلبة، والثورة المحتملة التي ستجلبها إلى عالم السيارات الكهربائية. وفي عام 2022 أين نحن من تطور هذه الخلايا الثورية؟ فهل هناك بالفعل سيارات تستفيد من هذه التكنولوجيا؟
سنقوم في هذا الملف بتقييم ما يجب معرفته عن بطاريات الحالة الصلبة، والاختلافات الموجودة مع البطاريات المستخدمة حاليًا، وآفاق التطوير في المستقبل. ماذا لو كان مستقبل السيارات الكهربائية مرتبطًا بالفعل بمستقبل بطاريات الحالة الصلبة؟
بطاريات الحالة الصلبة، ما هي الاختلافات عن بطاريات اليوم؟
في الغالبية العظمى من السيارات الكهربائية اليوم، يتم استخدام بطاريات الليثيوم أيون. مبدأ التشغيل هو كما يلي: تتكون بطارية الليثيوم أيون من قطبين كهربائيين، الأنود (الطرف الموجب) والكاثود (الطرف السالب) كل منهما في محلول إلكتروليتي. يوجد فاصل بين الأنود والكاثود، بحيث لا يكون هناك اتصال بين الاثنين.
يختلف مبدأ بطاريات الحالة الصلبة اختلافًا جذريًا، حيث لا يعد المنحل بالكهرباء سائلاً، بل - كما خمنت - صلبًا. الصورة أعلاه المقدمة من سامسونج توضح المبدأ جيدًا. يعمل الإلكتروليت الصلب للبطارية ذات الحالة الصلبة (على يمين الصورة) أيضًا كفاصل، مما يلغي الحاجة إلى استخدام مكونات إضافية لفصل الأنود عن الكاثود.
في السيارة الكهربائية، تتكون حزمة البطارية من مئات أو حتى آلاف الخلايا، تتكون كل منها من أنود وكاثود ومحلول إلكتروليت وفاصل. ومن أجل نقل الطاقة إلى المحرك، وبالتالي تحريك السيارة للأمام، تنتقل الأيونات من القطب الموجب إلى الكاثود عبر محلول الإلكتروليت، وبالتالي إنتاج الكهرباء.
مع البطارية الصلبة، سيكون الأساس مشابهًا، باستثناء أن حركة الأيونات لن تتم بعد الآن من خلال المنحل بالكهرباء السائل، ولكن من خلال مركب غير عضوي صلب. كل هذه النظرية حول بطاريات الحالة الصلبة تسمح لنا بالفعل برؤية المزايا التي ستكون هناك مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية، وهذا ما سنفحصه أدناه.
مميزات البطاريات الصلبة
تحتوي بطاريات الليثيوم أيون اليوم على بعض النقاط السلبية التي لا يمكن إهمالها. ومن بين أهمها جوانب السلامة وخاصة مخاطر الحرائق. في الواقع، بسبب تسخين المحلول الإلكتروليتي أثناء شحن وتفريغ خلايا بطارية الليثيوم أيون، يمكن أن تحدث حرائق. ولهذا السبب يتم تنفيذ العديد من آليات الأمان ضمن حزم البطاريات، ولكن كل هذا يشغل مساحة كبيرة.
مع بطاريات الحالة الصلبة، لم تعد هناك حاجة لحجز مساحة كبيرة لآليات الوقاية من الحرائق. إن استقرار المنحل بالكهرباء الصلب أعلى بكثير من استقرار المحلول الإلكتروليتي، والمكاسب المحتملة في الحجم التي سيتم تحقيقها بفضل البطاريات الصلبة تجلب الأمل في عالم السيارات الكهربائية.
يكمن التحدي الحالي الذي تواجهه السيارات الكهربائية في إمكانية تحقيق نطاقات مماثلة لتلك الموجودة في المركبات الحرارية المكافئة (على الرغم من أن إيلون ماسك يعتقد أن ذلك ليس ضروريًا)، ويبدو أن هذا قد تم اختراقه مع بطاريات الليثيوم أيون الحالية. ومع ذلك، في المستقبل القريب إلى حد ما، من المفترض أن تسمح بطاريات الحالة الصلبة للسيارات الكهربائية بالحصول على الاستقلالية، نظرًا لأن كثافة الطاقة الخاصة بها أعلى بكثير.
لم يعد هناك خطر الانفجار أو الاحتراق، ويمكن تجميع خلايا بطاريات الحالة الصلبة بطريقة أكثر إحكاما بكثير من تلك الموجودة في بطاريات الليثيوم أيون، كما هو موضح في الرسم التوضيحي السابق. ستكون بطاريات الحالة الصلبة مثالية للسيارات الكهربائية: بنفس الحجم ونفس الوزن، سيكون من الممكن زيادة عدد الخلايا بشكل كبير، وبالتالي سعة حزمة البطارية.
معهد سامسونج للتكنولوجيا لديهقدمت نتائج مشجعة في مارس 2020، بخصوص بطارية قادرة على السفر لمسافة 800 كيلومتر وقابلة للشحن والتفريغ 1000 مرة، والتي تشغل نصف حجم بطارية ليثيوم أيون ذات خصائص مكافئة. ستكون هذه ثورة حقيقية، وبالتالي يمكننا أن نتخيلهاسيارات المدينة الكهربائية بمدى يتجاوز سيارات السيدان الأكثر متانة.
البنائين الذين يعملون عليه
بالإضافة إلى الأبحاث المختبرية المستمرة، قام العديد من المصنعين بالفعل بوضع أنفسهم على بطاريات الحالة الصلبة، وقاموا بدمج هذه التكنولوجيا في تطوير نماذجهم المستقبلية.أعلنت نيسان مؤخراً عن بدء تشغيل مصنع يهدف إلى تصنيع نماذج أولية لبطاريات الحالة الصلبةبهدف إطلاق مركبة مجهزة بمثل هذه الخلايا قبل نهاية العقد الحالي.
المجموعة اليابانية ليست الوحيدة التي تستكشف مسار بطاريات الحالة الصلبة المتقدمة، حيث تبدو التكنولوجيا واعدة.فولكس فاجناستثمرت في الأبحاث المتعلقة بتطبيقات بطاريات الحالة الصلبة في مجموعتها المستقبلية من السيارات الكهربائية، مثل Ford وBMW وStellantis. في الوقت الحالي، تقتصر آثارها على المشاركة المالية المخصصة للعديد من الشركات الناشئة في هذا القطاع، مثلكوانتوم سكيبوالتي تعد بالقدرة على تقديم بطاريات صلبة تلبي جميع توقعات عمالقة القطاع.ومع ذلك، ترغب شركتا فورد وبي إم دبليو في اختبار بطاريات الحالة الصلبة هذا العام.
يرى جميع اللاعبين في السوق المهتمين ببطاريات الحالة الصلبة أن هذا هو الحل لغالبية المشكلات الحالية المتعلقة بالسيارات الكهربائية. ستضمن كثافة الطاقة المحسنة سعة بطارية أكبر بكثير، وستكون السلامة أفضل بكثير. بالإضافة إلى،ستلبي إمكانيات الشحن السريع الاحتياجات المستقبلية، حيث يستغرق الشحن بنسبة 10-80% أقل من 15 دقيقة، مع ضمان طول عمر أفضل للخلية مقارنة بالمعايير الحالية.
البطاريات شبه الصلبة للإنقاذ؟
إذا كانت بطاريات الحالة الصلبة لا تبدو جاهزة بعد للإنتاج الضخم، فإن أفكارًا جديدة بارعة تخرج بالفعل من مصانع بعض الشركات المصنعة، مثل فولكس فاجن أو نيو على وجه الخصوص: بطاريات الحالة الصلبة شبه الصلبة. تشبه هذه البطاريات بطاريات الليثيوم أيون في تصميمها (يكون المنحل بالكهرباء سائلًا دائمًا)، ولكنها لا تستخدم مادة رابطة، مما يجعل من الممكن تقديم كثافة طاقة أفضل بكثير.
يبدو أن الشركة المصنعة الصينية Nio قد خطت خطوة متقدمة على اللاعبين الآخرين، من خلال مشروع بطارية شبه صلبة لتزويد ET7 بحزمة 150 كيلووات في الساعة لضمان قدرتها على السفر أكثر من 1000 كيلومتر بشحنة واحدة. وفقا لأحدث المعلومات، إنتاجنيو ET7ومن المقرر إطلاقها في نهاية عام 2022، مما يجعلها أول مركبة إنتاج تتميز ببطاريات شبه صلبة.
ومن جانبها، قامت العملاق الصيني Gotion High Tech،أعلنت مؤخرًا أنها تستطيع تركيب حزمة بقدرة 160 كيلووات في الساعة في السيارة بحلول عام 2023، مما سيجعل من الممكن الوصول إلى 1000 كيلومتر من الاستقلالية، وبالتالي الاقتراب من الكأس المقدسة للسيارة الكهربائية من حيث المدى.
ما هو مفقود اليوم لتجهيز المركبات
وبصرف النظر عن Nio ET7 الذي من المفترض أن يرى النور قريبًا، لا يبدو أن وصول بطاريات الحالة الصلبة في الإنتاج الضخم للسيارات الكهربائية قد بدأ في الوقت الحالي. وفي الواقع، على الرغم من أن العديد من الشركات المصنعة مهتمة بشكل وثيق بهذه التكنولوجيا، إلا أن الجميع يتفقون على أنها ليست جاهزة للتنفيذ اليوم.
تظهر الأبحاث أن هناك الكثير من الإمكانات لصنع بطاريات الحالة الصلبة، وهي الثورة القادمة في قلب السيارات الكهربائية المستقبلية، ولكن تطويرها إلى منتج قابل للتطبيق اقتصاديًا لا يزال يتعين القيام به.
وفي منتصف عام 2022، لا يزال إنتاج بطارية الحالة الصلبة بسعة تعادل بطارية ليثيوم أيون أكثر تكلفة بكثير، وهو ما يفسر عدم قدرة الشركات المصنعة على استخدامها حتى الآن. وسواء كان الأمر يتعلق بترسيخ المنحل بالكهرباء أو تصنيع خلايا البطاريات الصلبة، فإن عمليات التصنيع لا تزال بحاجة إلى التطوير.
لذلك، إذا كان التقدم الذي أحرزته بطاريات الحالة الصلبة جذابًا على الورق، فسيسمح بتصحيح بعض النقاط السلبية في السيارات الكهربائية اليوم. وهذه ليست ثورة ينبغي أن تحدث قبل نهاية العقد الحالي، حيث يظل تشغيل بطاريات الليثيوم أيون أقل تكلفة ومربحًا للغاية بالفعل.
آفاق المستقبل
لتقترب أخيرًا منسيارة كهربائية مثاليةومع ذلك، تبدو بطاريات الحالة الصلبة خطوة ضرورية. لم نعد نحسب إعلاناتالتقاطات الكهربائيةعلى وجه الخصوص، الذين سيستفيدون بشكل كبير من مزايا بطاريات الحالة الصلبة، حيث سيحتاجون إلى بطاريات ذات سعة كبيرة.
بين الاستقلالية الكبيرة وسرعات إعادة الشحن التي تتجاوز بسهولة تلك التي نعرفها اليوم (نحن نتحدث عن أكثر من 300 كيلو واط من الطاقة القصوى للبطاريات الصلبة)، فإن استبدال بطاريات الليثيوم أيون يمكن أن يسمح لآخر متردد في التحول إلى الكهرباء أن يكون مقتنع. حتى لوفالسائق العادي لا يحتاج بالضرورة إلى مسافة حوالي 1000 كيلومتر كما يقول إيلون ماسك.
وبالإضافة إلى ذلك، بحلول عام 2030، تؤكد دراسات نيسان ذلكستكون تكلفة الكيلوواط ساعة المنتجة باستخدام بطاريات الحالة الصلبة منخفضة للغاية بحيث ستسمح للسيارات الكهربائية بأن تكون بنفس مستوى سعر مكافئها الحراري، وهو بالطبع ليس هو الحال اليوم.
ومع ذلك، فإن القفزة التكنولوجية التي طال انتظارها يمكن أن تصل مع أنود معدن الليثيوم في بطاريات الحالة الصلبة، والتي من المتوقع أن تصبح ناضجة بحلول نهاية العقد الحالي. ووفقا لأحدث التقارير حول هذا الموضوع، يمكننا تحسين كثافة الطاقة بنسبة 40% مع هذا الأنود الموجود في بطارية الحالة الصلبة، مقارنة بأنود السيليكون والجرافيت، والذي يستخدم حاليا في النماذج الأولية لبطاريات الحالة الصلبة. ومع ذلك، لا بد من تخفيف الآمال، لأن التوقعات الخاصة بهذا الأنود المصنوع من معدن الليثيوم لا تتوقع توافره بكميات كبيرة: فلنحصي فقط 70 ألف مركبة مجهزة ببطاريات الحالة الصلبة المزودة بأنود معدن الليثيوم بحلول عام 2030 في أفضل السيناريوهات.سيلون المعيار الاستخبارات المعدنية.
