نحن نأخذ الكثير من التكنولوجيا من حولنا كأمر مسلم به. على سبيل المثال ، أجهزة الكمبيوتر الصغيرة للهواتف التي تعمل دون إعادة الشحن طوال اليوم. لكن أريد أن يعمل الهاتف لمدة 3-4 أيام دون إعادة الشحن. أو سيارة كهربائية يمكنها السفر 1000 كيلومتر ، وشحنها في غضون دقائق ... وتكلفة أقل من سيارة بمحرك بنزين. كان هناك الكثير من الحديث عن بطاريات الحالة الصلبة على مر السنين ، ولكن كيف تسير الأمور الآن؟ وكم من الوقت علينا أن ننتظر حتى بطاريات الحالة الصلبة داخل أجهزتنا؟
أحدث مثال على ذلك هو شركة تويوتا ، التي أعلنت عن سيارة ذات بطارية صلبة خلال دورة الألعاب الأولمبية الشتوية. بطاريات الليثيوم أيون التي نستخدمها اليوم ، بقدر ما هي كبيرة ، لها عيوب معينة تحاول بطاريات الحالة الصلبة حلها.
يستخدم كلا النوعين الليثيوم لإنتاج الكهرباء وبنيتهما العامة متشابهة تمامًا. ببساطة ، لديهم أنود (قطب سالب) ، كاثود (قطب موجب) وإلكتروليت.
يكمن الاختلاف الرئيسي بينهما في حالة المنحل بالكهرباء ، مما يساعد على نقل الأيونات من الكاثود إلى القطب الموجب أثناء الشحن والعكس صحيح أثناء التفريغ. بمعنى آخر ، ينظم المنحل بالكهرباء تدفق التيار الكهربائي بين الجوانب السلبية والإيجابية للبطارية. بينما تستخدم بطاريات الليثيوم أيون الإلكتروليتات السائلة ، فإن بطاريات الحالة الصلبة ، كما يوحي اسمها ، تستخدم طبقات رقيقة من الإلكتروليت الصلب.
تحتوي الإلكتروليتات الصلبة على عدد من المزايا المهمة:
على اليسار نرى هيكل بطارية ليثيوم أيون ، وعلى اليمين نرى هيكل بطارية الحالة الصلبة.
3. وزن وحجم أخف: بينما السائل الموجود داخل بطاريات الليثيوم أيون يجعلها أثقل ، فإن الهيكل المدمج لبطاريات الحالة الصلبة يسمح لكثافة طاقة أعلى لكل وحدة مساحة ، مما يعني الحاجة إلى عدد أقل من البطاريات.
من الناحية النظرية ، نعم ، أو على الأقل هذا هو المكان الذي تتجه فيه الأمور. في الواقع ، يستثمر العديد من صانعي السيارات بالفعل في هذه التكنولوجيا ، بما في ذلك فولكس فاجن وتويوتا وفورد وبي إم دبليو. ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، يتم إنتاج خلايا بطاريات الحالة الصلبة واحدة تلو الأخرى في المختبرات ، وإحضارها إلى الإنتاج الضخم - مهمة باهظة الثمن ولا تزال غير مطورة بشكل كافٍ.
من الصعب تطوير إلكتروليت صلب يكون مستقرًا وخاملًا كيميائيًا وموصلًا جيدًا للأيونات بين الأقطاب الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر الإلكتروليتات باهظة الثمن للغاية في التصنيع وعرضة للتشقق بسبب هشاشتها عند توسيعها وضغطها أثناء الاستخدام. ولكن ربما مع تزايد أسعار بطاريات الليثيوم أيون تدريجياً ، سيحدث ذلك.
في السنوات الأخيرة ، تم إجراء العديد من الدراسات المثيرة للاهتمام ، والتي تهدف إلى حل هذه المشكلة. طور باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ما يسمى بالموصلات الأيونية المختلطة (MIECs) ، بالإضافة إلى عوازل إلكترونية وعوازل ليثيوم أيون (ELIs). إنها بنية خلوية ثلاثية الأبعاد مع أنابيب MIEC النانوية. تمتلئ الأنابيب بالليثيوم الذي يشكل الأنود. يتمثل جزء رئيسي من هذا الاكتشاف في أن الهيكل الخلوي يتيح مساحة لليثيوم للتوسع والتقلص أثناء الشحن والتفريغ. هذا "التنفس" للبطارية يمنع التشققات. يعمل طلاء أنابيب ELI كحاجز يحميها من الإلكتروليت الصلب. هذا هو هيكل بطارية الحالة الصلبة ، مما يحفظنا من الحاجة إلى إضافة أي سائل أو هلام ، وبالتالي يسمح لنا بتجنب التشعبات.
شركة تسمى أنظمة تخزين الأيونات طوَّر إلكتروليت سيراميك شديد الرقة يبلغ سمكه حوالي 10 ميكرومتر ، وهو نفس سمك أجهزة الفصل البلاستيكية الحديثة التي تستخدم الإلكتروليتات السائلة. كل جانب من إلكتروليت السيراميك مغطى بطبقة فائقة الرقة من أكسيد الألومنيوم تساعد على تقليل المقاومة. تبلغ سعة النموذج الأولي للبطارية حوالي 300 واط / كجم ويمكن شحنها في 5-10 دقائق. للمقارنة: تصل طاقة بطاريات NCA الحديثة إلى حوالي 250 واط / كجم.
في المعرض CES هذا العام ، عرضت Mecedes السيارة النموذجية AVTR ، المصنوعة من مواد صديقة للبيئة ، والتي تحتوي أيضًا على بطارية قابلة لإعادة التدوير بالكامل. في مقابلة ، صرح أندرياس هينتيناتش ، مدير أبحاث بطاريات مرسيدس الأول ، أن تقنية البطاريات تخضع حاليًا لاختبارات معملية وستكون جاهزة في غضون 10-15 عامًا. طورت CATL (شريك البطاريات الصيني في Tesla) أيضًا عينة من بطارية الحالة الصلبة ، لكنهم أفادوا بأنها لن تصل إلى السوق حتى عام 2030.
من المتوقع استمرار إنتاج بطاريات الحالة الصلبة سيتم إصلاح من عام 2025 ، ولكن في البداية لم يكن في صناعة السيارات.
اقرأ أيضا:
اترك تعليق