بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة.. تقنية تُطيل كفاءتها التشغيلية لساعات عديدة

أضحت بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة فرس رهان بين تقنيات تخزين الكهرباء المتطورة كافّة، التي تحظى باهتمام عالمي متزايد لدعم مسارات تحول الطاقة وجهود خفض الانبعاثات العالمية.

وقد زُوّدت البطاريات بمواد كاثود عالية التجانس، تمنحها القدرة على الاحتفاظ بغالبية سعتها التخزينية -تقريبًا- حتى بعد استعمالها في آلاف الدورات من الشحن والتفريغ.

وتعزّز تلك الخاصية قدرة بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة على تخزين الكهرباء لساعات طويلة إضافية، مقارنةً بنظيراتها التقليدية.

ولعل هذا ما يجعل تلك البطاريات خيارًا مثاليًا للتقنيات المتطورة، مثل السيارات الكهربائية التي تحتاج إلى السير لمسافات طويلة، وفق متابعات لمنصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).

تقنية مبتكرة

طوّر علماء صينيون من معهد تشينغداو للطاقة (Qingdao Energy Institute) التابع لأكاديمية العلوم الصينية مواد متجانسة لتصنيع الكاثودات (الأقطاب السالبة)؛ ما يمكن بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل من الحفاظ على 80% من سعتها الأولية، بعد استعمالها في 5 آلاف دورة شحن وتفريغ، بحسب ما أظهرته نتائج دراسة بحثية حديثة نشرتها دورية نيتشر إنرجي (Nature Energy).

وبطارية الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل عبارة عن بطارية ليثيوم تحتوي على مادة صلبة، أي أنها لا تحوي أي قطب كهربائي أو إلكتروليتات في حالة سائلة في نطاق درجة حرارة العمل.

ومن الممكن أن تُستعمَل بطاريات الحالة الصلبة الليثيوم المعدني للأنود (القطب الموجب) والأكاسيد أو الكبريتيدات للكاثود؛ ما يعزز كثافة الطاقة، ويعمل الإلكتروليت الصلب بصفته عامل فصل مثاليًا يسمح فقط لأيونات الليثيوم بالمرور، بحسب الدراسة التي تابعت نتائجها منصة الطاقة المتخصصة.

وصمم فريق الباحثين، الذي قاد الدراسة بقيادة كوي قوانغلي وبمساعدة جو جيانجوي وكوي لونغفي وتشانغ شو، مواد كاثود ذات درجة تجانس عالية أشعلت ثورة في نموذج الكاثودات المركبة في بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة المصنّعة من مواد نشطة بنسبة 100%.

وتساعد تلك الخاصية المبتكرة على مواجهة التحديات الناجمة عن بطاريات الليثيوم الصلبة التقليدية، ما يؤدي في النهاية إلى إنتاج بطاريات ليثيوم صلبة، تتسم بكثافة طاقة أعلى وعُمْر أطول بالنسبة إلى دورة الشحن والتفريغ.

وتشتمل بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة -عادةً- على استعمال كاثودات مركبة تحوي مواد أقطاب نشطة، وإلكترونات موصلة ومواد مضافة موصلة للأيونات.

صعوبات عديدة

هناك عدد من الصعوبات المتضمنة في تحقيق المواءمة بين المكونات المختلفة من حيث الخصائص الكيميائية والإلكتروكيميائية والميكانيكية، ما يؤدي إلى مشكلات مختلفة تتعلق بواجهة البطارية، يَنتُج عنها تدهور في كثافة طاقة البطارية وعمرها التشغيلي.

ولم يتغيّر حجم المواد سوى بنسبة طفيفة لم تتجاوز 1.2% في أثناء عملية الشحن والتفريغ؛ ما يقل كثيرًا عن تغيير الحجم، البالغة نسبته 50% في مواد الكاثود التقليدية التي تتكون من الأكاسيد.

وتضمن خاصية التوصيل العالية عملية شحن وتفريغ طبيعية دون الحاجة إلى مواد إضافية موصلة تقليدية، في حين يضمن تغيير الحجم المنخفض استقرارًا هيكليًا في أثناء تشغيل البطارية، وفق الدراسة التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.

مزايا البطاريات الصلبة

تتسم بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بعدد من المزايا مثل انخفاض الوزن، مقارنةً بالبطاريات السائلة؛ ما يجعلها خيارًا سهلًا لشركات صناعة السيارات الكهربائية.

كما تتسم البطاريات الصلبة بمعدل شحن أسرع ومتانة أقوى وعمر تشغيلي أطول من نظيراتها السائلة، نظرًا إلى أنها مصنعة من مواد صلبة تقلل من عمليات تحلل الخلايا داخل البطارية، وبالتالي يخفّض تكاليف صيانتها بمضي الوقت.

إلى جانب ذلك تتسم البطاريات الصلبة بدرجة عالية من الأمان ضد مخاطر الاشتعال، لكونها لا تشتمل على إلكتروليتات سائلة؛ ما يجعل مكوناتها غير قابلة للاشتعال.

كما يتمتع هذا النوع من البطاريات بالقدرة على العمل في درجات حرارة عالية جدًا، قياسًا بنظيرتها من بطاريات الليثيوم أيون التي لا تستغنى عن دوائر حماية لمنع الشحن الزائد والحرارة المرتفعة.

عيوب البطاريات الصلبة

رغم مزاياها العديدة تواجه بطاريات الحالة الصلبة عددًا من التحديات التي تقف حجر عثرة أمام ازدهارها على نطاق واسع، مثل عدم قدرة الإلكتروليتات الصلبة على منع تسرب الليثيوم تمامًا في أثناء عملية الشحن؛ ما قد يَنتُج عنه ماس كهربائي إذا وصل الليثيوم إلى الكاثود.

ويسرع تراكم الليثيوم من حصول التدهور السريع للبطارية بعد عدد من دورات الشحن والتفريغ، وهو العيب الذي ما تزال تعمل عليه الأوساط البحثية، لتطوير بطاريات الحالة الصلبة قادرة على الشحن والتفريغ عدة مرات دون تدهور كبير.

وتبرُز عملية معالجة وتصنيع بطاريات الحالة الصلبة أكثر تعقيدًا من بطاريات الليثيوم أيون؛ ما يُترجَم إلى زيادة في التكلفة، ويعوق تصنيعها على نطاق واسع، ويقلل من سرعة دمجها في التطبيقات اليومية، وفق معلومات جمعتها منصة الطاقة المتخصصة.

ولطالما عانت بطاريات الحالة الصلبة ضعف الأداء التشغيلي في درجات الحرارة المنخفضة، كما أن عوامل الضغط تجعلها أكثر هشاشة، غير أنه يمكن إصلاح كل تلك المشكلات وإن كان ذلك على حساب خفض كثافة الطاقة.

موضوعات متعلقة..

• هل تغيّر بطاريات الحالة الصلبة مستقبل السيارات الكهربائية؟ (تقرير)
• بطارية الحالة الصلبة الجديدة.. تُشحن في 10 دقائق وتعمل 6 آلاف دورة
• السيارات الكهربائية.. هل تصبح بطاريات الحالة الصلبة حلًا للحرائق؟

اقرأ أيضًا..