أنتجت شركة Solid Power في ولاية كولورادو الأمريكية أول خلايا بطارية ليثيوم صلبة معدنية بالحجم الكامل في غرفة جافة في المنشأة ضمن منطقة خالية من الرطوبة والملوثات. وتبدو هذه التقنية جيدة جدًا لدرجة يصعب تصديقها من الناحية النظرية، ستؤدي إلى قفزة تقدر بعشرة أضعاف الطاقة المخزنة في البطارية (أو عشرة أضعاف في السعة) مقارنة ببطاريات أيون الليثيوم التقليدية، وترى الشركة تحسنًا بنسبة 80% في المستقبل القريب.
في السابع من أغسطس عام 2021، ارتدى ثلاثة مهندسين البدلات الواقية من تايفك -Tyvek، ودخلوا الغرفة الجافة، وسحبوا الجهد من أكبر نموذج أولي لبطارية ليثيوم معدنية (صلبة) حتى الآن.
جلبت بطارية أيون الليثيوم السائلة التقليدية جائزة نوبل لباحثيها الرئيسيين، استمرت في السبعينيات سنوات أطول من بطاريات AA أو AAA أو D، وذلك بفضل كثافة الطاقة غير المسبوقة لمادة الليثيوم، فكانب بمثابة نعمة لمرضى جهاز تنظيم ضربات القلب الذين يستطيعون الاعتماد على بطارية مدة 10 سنوات بدلًا من سنتين. لكن في تسعينيات القرن الماضي ظهر تأثير الليثيوم الأكبر في البطاريات مع بطاريات أيون الليثيوم القابلة لإعادة الشحن المستخدمة في السيارات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية المحمولة.
ابتكر ساكاموتو وفريقه بطارية أيون الليثيوم ذات إنتاج مضاعف
كان الليثيوم محور أبحاث البطاريات لعقود لأنه موصل ممتاز للكهرباء، كما المعادن القلوية الأخرى في الجزء اليساري من الجدول الدوري، إذ يحتوي على إلكترون تكافؤ واحد في مداره الأخير ويمكن بسهولة أن يتحرر. قال جيف ساكاموتو المتخصص في أبحاث البطاريات الصلبة والأستاذ في الهندسة الميكانيكية في جامعة ميشيغان: «إن هذا يخلق جهدًا عاليًا حقًا». ومقارنة بالقلويات الأخرى مثل البوتاسيوم أو الصوديوم، فإن الليثيوم له أصغر حجم أيون وثالث أقل وزن ذري في الجدول الدوري، ما يعني المزيد من الإلكترونات، ومن ثم المزيد من الكهرباء المخزنة مع وزن وحجم بطارية أصغر.
تستخدم بطارية أيون الليثيوم سائل إلكتروليت موصل للكهرباء، مع فاصل بين الأقطاب يسمح للأيونات بالمرور ذهابًا وإيابًا بين المصعد (الأنود) والمهبط (الكاثود) لتتم عملية الشحن والتفريغ. المهبط هو مركب من الليثيوم (القطب الموجب) والأنود (القطب السالب) الذي يحدد التخزين الكلي مصنوع من مادة الجرافيت وهي مادة وفيرة، ولكن قدرة معدن الليثيوم تفوق قدرتها بعشرة أضعاف. وكثافة الطاقة لخلايا الليثيوم أكبر بأربعة أضعاف من خلايا بطاريات نيكل-كادميوم أيضًا.
طلاء كهربائي للرقائق المعدنية سيجفف ويقطع ويكدس في خلايا في مختبر ساكاموتو
يقول الدكتور جون ليو، المدير في المختبر الوطني في ريتشلاند شمال غرب المحيط الهادئ بواشنطن: «إن معدن الليثيوم هو أعلى المواد التي نعرفها سعةً، وهو من المعادن شديدة التفاعل، إذا لامسته بأي شيء فإنه يؤدي إلى تآكل كل شيء».
يكون تآكل الليثيوم في البطاريات على شكل تشعبات، وهي هياكل ليثيوم متفرعة تنمو من القطب الموجب، قد تؤدي أيضًا إلى ثقب أجزاء البطارية وإحداث قصر في الدارة الكهربائية للخلية، وقد يؤدي ذلك إلى نشوب حريق في بطاريات الليثيوم التقليدية السائلة، إذ إن السائل قابل للاشتعال. توصّل العلماء إلى حل لمنع نمو التشعبات وإزالة خطر الحرائق بواسطة إلكتروليت صلب مصنوع من السيراميك، لكن تمثل الشوارد الصلبة تحديات إضافية، فمن الصعب تطوير إلكتروليت صلب وموصل أيون جيد بين الأقطاب كما في الإلكتروليت السائل، وتشكل أيضًا هشاشة السيراميك مشكلة إضافية لأنها تسبب تشققات عند التمدد والتقلص في أثناء الاستخدام.
يتضمن بحث داسجوبتا طريقة تصنيع تسمح بشحن البطاريات في 10 دقائق
فيما يخص مشكلة إعادة الشحن يقول الدكتور نيل داسجوبتا، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة ميشيغان المتخصص بدراسة بطاريات الليثيوم المعدنية الصلبة مع الدكتور ساكاموتو «إن بطاريات أيون الليثيوم تحقق معايير الصناعة الخاصة بشحن أكثر من 1000 دورة قبل أن تتحلل. إذا كنت تشحن هاتفك خمس مرات في الأسبوع مدة أربع سنوات، فقد شحنته بالفعل أكثر من ألف مرة».
لن تشارك شركة Solid Power عدد الدورات التي قد تصل إليها نماذجها الأولية الحالية، لكن يقول ويل ماكينا مدير الاتصالات بالشركة إنهم ما زالوا يحاولون تجاوز 1000 دورة شحن.
نشر فريق من جامعة هارفارد أخبارًا في مايو عام 2021 حول نتائج مفادها أن خلية بطارية الليثيوم المعدنية الخاصة بهم تحفظ شحنها على مدار 10000 دورة، وبشأن ذلك يقول الدكتور شين لي، أحد باحثي جامعة هارفارد، إنه يمكننا إعادة تعيين توقعاتنا لعمر البطارية، فقد تصل إلى 25 سنة أو حتى نصف قرن.
لكن بطارية هارفرد رقيقة على شكل عملة معدنية مثل الساعة أو بطارية الإعانة السمعية، ومن المحتمل ألا تكون هذه النسب نفس نسب معظم التطبيقات التجارية، لأن البطاريات ستكون أكبر وأثخن بكثير، ولها نسب مختلفة من المواد.
ومع ذلك، لا تزال نتائج هارفارد مثيرة للإعجاب إذ تمكنت خلية بطارية الليثيوم المعدنية الخاصة بهم من إعادة الشحن في ثلاث دقائق فقط. وعلى هذا تستطيع معظم المركبات الكهربائية إعادة الشحن في نفس الوقت المطلوب لملء خزان الوقود أو أقل منه.
ألقى العالم أول نظرة على سيارة كهربائية ذات بطارية صلبة في أولمبياد طوكيو، إذ جهزت تويوتا بالتعاون مع باناسونيك أسطول سياراتها النموذجية LQ التي أدت دور البطولة في الإعلانات التجارية للألعاب الأولمبية.
ومع أن تويتا لم تصدر أي تفاصيل أخرى حول بطاريات سيارات LQ، فقد ننتظر سنوات قبل أن نرى بطارية من معدن الليثيوم في صالة العرض.
يقول دوج كامبل الرئيس التنفيذي لشركة Solid Power «ستضع الشركة بطارياتها في سيارات العامة بعد خمس سنوات، وقد وقعنا عقد شراكة مع شركة BMW وشركة Ford، والهدف الحالي للشركة هو صنع بطارية ليثيوم أيون (OEM) التي تبلغ ضعف كثافة الطاقة الموجودة في خلايا بطاريات السيارات الحالية والتي تُشحَن بنسبة 90% في غضون 10 دقائق فقط … وتتفوق الشركة بسنوات على معظم الشركات المنافسة، وذلك بفضل أبحاثها حول تكييف تكنولوجيا تصنيع أيونات الليثيوم الحالية».
يقول كامبل أيضًا إنه ما تزال معظم الشركات الأخرى في مرحلة البحث والتطوير، باستثناء عدد قليل من الشركات العملاقة المتمركزة في آسيا. تقول تويوتا مثلًا إنه من المرجح طرح بطاريتها الصلبة في عام 2025.
يدير ساكاموتو شركة ناشئة تعمل بالبطاريات الصلبة، بالإضافة إلى عمله في جامعة ميشيغان، ويقول إن نشوء الدفعة الأخيرة لتطوير بطاريات الليثيوم المعدنية جاء بعد أن أصبحت السيارات الكهربائية قابلة للتطبيق ومطلوبة.
ويقول معبرًا عن دهشته بالسرعة التي توصلوا إليها إلى عالم البطاريات الصلبة على الرغم من عدم وجود منتج تجاري حتى الآن:
«الانطلاق نحو البطاريات الصلبة يمنحنا عالمًا يُعاد فيه شحن المركبات الكهربائية في دقائق، بينما تستمر بطاريات أجهزة تنظيم ضربات القلب مدة نصف قرن، والسؤال الآن يتعلق فقط بمتى سنصل إلى هناك».
كيف تعمل بطاريات أيون الليثيوم
تنتقل أيونات الليثيوم من المصعد عبر الإلكتروليت إلى المهبط الذي يفرغ الإلكترونات. لإعادة الشحن، يتلقون إلكترونًا ويعودون إلى المصعد. تستخدم بطارية أيون الليثيوم التقليدية سائل إلكتروليت مع فاصل بين الأقطاب لمنع حدوث قصور بين القطبين مع السماح للأيونات بالمرور.
اقرأ أيضًا:
بطارية أيونات الليثيوم أكفأ 3 مرات من المستخدمة حاليًا
نوع جديد من البطاريات يشحن أسرع 10 مرات من بطاريات الليثيوم- أيون
ترجمة: تسنيم فندقلي
تدقيق: محمد الشعراني
مراجعة: محمد حسان عجك
