هل تعتبر البطاريات الصلبة المصنوعة من السيراميك هي الشيء الكبير القادم في تكنولوجيا البطاريات؟

ماذا لو تمكنت بطارية السيارة الكهربائية من الشحن أسرع من أي وقت مضى، مع ضعف عمرها الافتراضي؟ تخيل لو أصبحت البطاريات أصغر حجمًا وأكثر كفاءة. هذه بعض المزايا المحتملة لبطاريات الحالة الصلبة الخزفية. مع ذلك، لا تزال هذه التقنية غير جاهزة للطرح في السوق، وسنشرح لك السبب.

في حين يبدو أن تكنولوجيا البطاريات الصلبة الخزفية عازمة على تحويل تخزين الطاقة كما نعرفه، لا تزال هناك العديد من التحديات التي يتعين على المبتكرين حلها.

على سبيل المثال، تكلف هذه البطاريات حاليًا مبالغ باهظة لإنتاجها، كما أن تصنيعها لا يزال معقدًا للغاية بحيث يصعب توسيع نطاقه.

لكن المستقبل مُثير. في هذه المقالة، نستكشف الجوانب الرئيسية المختلفة لتقنية بطاريات السيراميك ذات الحالة الصلبة، والتطورات الحديثة، والتحديات ذات الصلة. لكن أولًا، نقدّم نبذة سريعة عن سبب كل هذا الجدل.

ما هي البطاريات الصلبة الخزفية؟

تعتمد معظم الأدوات والأجهزة التي نستخدمها في حياتنا اليومية على بطاريات الليثيوم أيون - من الساعات والهواتف إلى أجهزة الكمبيوتر المحمولة والمركبات الكهربائية، أنظمة الطاقة الشمسيةتحتوي بطارية أيون الليثيوم بشكل عام على إلكتروليت سائل تتبعه الأيونات لشحن البطارية أو تشغيل جهاز ما.

ومع ذلك، فإن البطاريات ذات الحالة الصلبة مختلفة.

مصدر: بريتانيكا

كما يوحي الاسم، تستبدل بطاريات الحالة الصلبة هذا الإلكتروليت السائل بمادة صلبة - السيراميك. بمعنى آخر، تستخدم بطاريات الحالة الصلبة الخزفية الإلكتروليتات الخزفية لتوصيل الأيونات بين الأقطاب الكهربائية.

رغم أن هذا يبدو تغييرًا طفيفًا، إلا أن الإلكتروليتات الخزفية تُقدم مزايا عديدة مقارنةً بنظيراتها من بطاريات أيونات الليثيوم. إليك بعض هذه المزايا:

• السلامة: لا يمكن للبطاريات الصلبة الخزفية أن تتسرب وهي غير قابلة للاشتعال

• وقت الشحن: يمكنها الشحن حتى ست مرات أسرع من بطاريات الليثيوم أيون

• كثافة الطاقة: تكون كثافة الإلكتروليتات الخزفية أعلى بمرتين على الأقل من بطاريات الليثيوم أيون، مما يعني كفاءة أعلى من حيث الحجم

• الطاقة: البطاريات الصلبة الخزفية أقوى بثلاث مرات على الأقل من بطاريات الليثيوم أيون في درجة حرارة الغرفة

من المؤكد أن بطاريات الحالة الصلبة تتفوق بكل تأكيد. ولكن لماذا لم تصبح شائعة الاستخدام بعد؟ سنتحدث عن ذلك لاحقًا.

هل البطاريات ذات الحالة الصلبة أفضل للبيئة؟

الإجابة هي نعم. تتميز بطاريات الحالة الصلبة الخزفية ببصمة كربونية أقل نظرًا لقلة المواد المستخدمة في إنتاجها. ونتيجة لذلك، فهي صديقة للبيئة بشكل ملحوظ.

في السيارة الكهربائية، تظهر الإحصائيات يمكن لبطاريات الحالة الصلبة الخزفية أن تُخفّض تأثير السيارة على البيئة والمناخ بما يصل إلى 39% مقارنةً بتأثيرات بطاريات أيونات الليثيوم خلال دورة حياتها نفسها. ونظرًا لكثافة طاقة بطاريات الحالة الصلبة العالية، فإنها تتطلب مواد تصنيع أقل بكثير وانبعاثات أقل.

بالإضافة إلى ذلك، تستهلك بطاريات الحالة الصلبة الخزفية موارد أقل خلال عمرها الافتراضي. ولأنها تُشحن أسرع بكثير وتستغرق وقتًا أطول قبل أن تنفد تمامًا، فإن المستخدمين سيستخدمون موارد أقل لإدارة هذه البطاريات.

ومن الجدير بالذكر أيضًا أن هذا العمر الطويل يعني الحاجة إلى تصنيع عدد أقل من البطاريات واستبدالها بمرور الوقت، مما يقلل من الضغط البيئي المرتبط باستخراج المواد الخام وإنتاجها والتخلص منها.

وبناء على ذلك، دعونا نستكشف الفوائد الأخرى للبطاريات الخزفية ذات الحالة الصلبة.

الفوائد الرئيسية للبطاريات الخزفية ذات الحالة الصلبة

لا تزال تقنية بطاريات الحالة الصلبة الخزفية قيد التطوير. ومع ذلك، فهي تُتيح بالفعل العديد من مجالات التحسين المُحتملة مقارنةً بالبطاريات الحالية في السوق.

فيما يلي بعض المزايا التي توفرها البطاريات ذات الحالة الصلبة:

عامل أمان أعلى

يُعدّ المكون السائل في بطاريات الليثيوم أيون أحد أكثر تحديات السلامة إلحاحًا، نظرًا لكونه متطايرًا وقابلًا للاشتعال. ولأن بطاريات الحالة الصلبة لا تحتوي على إلكتروليت سائل، فهي عمومًا أكثر أمانًا واستقرارًا. كما يُشكّل السيراميك الصلب فاصلًا أكثر استقرارًا ومقاومةً للحرارة بين الأنود والكاثود في البطارية، مما يمنع حدوث قصر في الدوائر الكهربائية.

كثافة طاقة أكبر

تتميز بطاريات الحالة الصلبة الخزفية بكثافة طاقة محسنة. تستخدم هذه البطاريات قطبًا معدنيًا نقيًا، على عكس قطب الجرافيت المستخدم في بطاريات أيونات الليثيوم. يؤدي هذا إلى زيادة هائلة في كثافة طاقة البطارية، ما يجعلها أخف وزنًا وأصغر حجمًا.

أوقات شحن سريعة للغاية

تشير الدراسات إلى أن بطاريات الحالة الصلبة الخزفية قد تكون قادرة على الشحن أسرع بست مرات من جميع تقنيات البطاريات الأخرى المتوفرة في السوق حاليًا. ورغم أن الأرقام الدقيقة غير مؤكدة بعد، تشير الأبحاث إلى أن هذه البطاريات يمكن أن تصل إلى سرعة شحن 80% في غضون 10 أو 15 دقيقة فقط.

بالإضافة إلى ذلك، فإن السيراميك الصلب سيكون قادرًا أيضًا على الأداء بشكل أفضل في درجات الحرارة الأعلى نظرًا لأن السيراميك يكون عمومًا أكثر مقاومة للحرارة.

زيادة القدرة والمدى

بما أن الإلكتروليت الخزفي الصلب يلغي الحاجة إلى فاصل (كما هو الحال في بطاريات أيونات الليثيوم)، فإن بطاريات الحالة الصلبة تكون عمومًا أصغر حجمًا بعد الإنتاج. إضافةً إلى ذلك، فإن كثافة الطاقة المُحسّنة لبطاريات الحالة الصلبة تعني إمكانية وضع المزيد في مساحة أقل. بمعنى آخر، يمكن للبطاريات أن تكون أقوى دون أن تصبح ضخمة جدًا. كما أن بطاريات الحالة الصلبة تكون أخف وزنًا.

مصدر: أنسبلاش

من المستحيل إنكار الجوانب المختلفة التي تتميز بها بطاريات الحالة الصلبة الخزفية. ولكن دعونا نتناول التحديات والعيوب المختلفة التي تواجهها.

تحديات البطاريات الخزفية ذات الحالة الصلبة

تَعِد تقنية بطاريات الحالة الصلبة الخزفية بإحداث ثورة في صناعة تخزين الطاقة، مع تعزيز كفاءة المركبات الكهربائية. ومع ذلك، لا تزال هناك بعض العقبات الحاسمة التي يجب تجاوزها قبل أن تصبح جاهزة للمستهلكين والسوق.

فيما يلي ثلاثة أسباب وراء عدم حدوث التقدم في مجال البطاريات ذات الحالة الصلبة حتى الآن:

قضايا الاستقرار

عند شحن بطارية الحالة الصلبة، تتمدد خلاياها ثم تعود إلى وضعها الطبيعي أثناء التفريغ، تمامًا كما لو كانت الخلية تتنفس. هذا يُسبب مستوىً من عدم الاستقرار، مما يؤدي في النهاية إلى تلف البطارية. لحل هذه المشكلة، لا بد من ابتكار طريقة للحفاظ على خلايا الحالة الصلبة ثابتة ومضغوطة في آنٍ واحد.

إنه أكثر فعالية في درجات الحرارة المرتفعة

بما أن الأقطاب الكهربائية الصلبة موصلات أفضل في درجات الحرارة المرتفعة - عادةً فوق 50 درجة مئوية - فهذا يعني أن بطارية الحالة الصلبة قد لا تكون فعالة جدًا عندما تكون باردة. لذلك، يجب بذل جهد لضمان أداء بطارية الحالة الصلبة بشكل جيد في درجات الحرارة المنخفضة.

تكلفة الإنتاج العالية

من التحديات الرئيسية الأخرى التي تواجه بطاريات الحالة الصلبة الخزفية ارتفاع تكاليف تصنيعها نسبيًا. ورغم أن هذه التقنية مبتكرة بلا شك، إلا أن تكلفة إنتاجها الباهظة تُمثل عائقًا كبيرًا أمام توسيع نطاقها.

مصدر: أنسبلاش

جمعها معًا

يُعدّ مستقبل بطاريات الحالة الصلبة الخزفية مثيرًا للاهتمام، إذ تُمثّل مفتاحًا لحل العديد من المشكلات التي يواجهها المستهلكون والشركات حاليًا مع بطاريات أيونات الليثيوم. وتتميّز هذه التقنيات الحديثة للبطاريات بمزايا عديدة، بدءًا من كفاءة الطاقة العالية، ووصولًا إلى أوقات الشحن الأسرع، وتحسين السلامة.

ومع ذلك، فإن رحلة التبني الشامل تتطلب مزيدًا من الابتكار لحل التحديات الحالية المتعلقة ببطاريات الحالة الصلبة الخزفية. ومع ذلك، فإن تقنية بطاريات الحالة الصلبة تَعِد بإعادة تعريف حلول الطاقة، ونحن متشوقون لرؤيتها تُطرح في السوق!