بطاريات الحالة الصلبة: ما هي، وكيف تعمل، وعمرها الافتراضي

 أحد الحلول المنتظرة بفارغ الصبر في السباق نحو السيارة الكهربائية للمستقبل هي بطاريات الحالة الصلبة. فالجميع يريدها، لأنها تتمتع بكثافة طاقة أعلى، ويتم إعادة شحنها بشكل أسرع، وتدوم لفترة أطول، كما أنها أكثر أمانًا.

 لقد أصبحت التكنولوچيا ناضجة وتقوم العديد من الشركات الآن بإنتاجها في مصانع تجريبية أو بكميات صغيرة. وهذه هي على وجه التحديد العقبة الرئيسية أمام انتشارها: الإنتاج الضخم. إذا كان هناك شيء واحد لا يزال بحاجة إلى العمل عليه، فهو أساليب الإنتاج. ولكن كيف يتم تصنيع بطاريات الحالة الصلبة؟

 لنبدأ بمفهوم أساسي: بطاريات الحالة الصلبة هي بطاريات ليثيوم أيون عادية يتم فيها استبدال الإلكتروليت، السائل عادةً، بإلكتروليت صلب (ومن هنا الاسم). وبخلاف ذلك، تظل الخلايا تحتوي على قطبين كهربائيين، الأنود والكاثود، بشحنتين سالبة وموجبة، وفاصل يوضع بينهما – على وجه التحديد – إلكتروليت يسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بين القطبين أثناء الشحن والتفريغ.

 تختبر صناعة البطاريات أنواعًا مختلفة من الإلكتروليتات الصلبة، عادةً ما تكون من السيراميك أو المركّبات. الأول أكثر “صلابة” في حين أن الأخير، اعتمادًا على الخليط المستخدم، قد يكون أكثر أو أقل مرونة. يقوم بعض الباحثين أيضًا بتطوير أنواع أخرى من الإلكتروليتات الصلبة، لكن التجريب هنا لا يزال في مراحله الأولى.

 في البداية كان يُنظر إليها على أنها بديل لبطاريات الليثيوم أيون “التقليدية”، وقد بدأت بطاريات الحالة الصلبة في تمييز نفسها. وبالتالي، هناك بطاريات الحالة الصلبة من نوع معدن الليثيوم، وليس من المستبعد في المستقبل أن نرى كيميائيين آخرين يتحولون إلى نفس التقنية.

 كما ذكرنا سابقًا، تعتبر بطاريات الحالة الصلبة مرغوبة جدًا لأنها تتمتع بأداء أعلى. على سبيل المثال، يمكنها الوصول إلى كثافات طاقة تصل إلى ٢.٥ مرة من بطارية ليثيوم أيون. ونظرًا لقلة السوائل والعناصر المتطايرة، فهي أيضًا أكثر مقاومة للهب. ولهذا السبب، فهي أيضًا أكثر أمانًا. كما أنها تتمتع بقدر أكبر من الاستقرار الكهروكيميائي، مما يضمن أداء أكثر اتساقًا مع مرور الوقت وعمر خدمة أطول.

 كما أن بطاريات الحالة الصلبة أخف وزنًا ويمكن إعادة شحنها بمعدل يصل إلى ٤-٦ مرات أسرع من البطارية التي تحتوي على إلكتروليت سائل. وهذا يعني أنه في المستقبل لن يتعين على السيارة الوقوف في محطة الشحن إلا لبضع دقائق لتمتلئ بالإلكترونات، مما يسد فجوة “وقت الانتظار” للتزود بالوقود والتي لا تزال تميزها عن سيارة محرك الاحتراق.

 وفيما يتعلق بالعيوب، فهي تتعلق في الوقت الحالي بشكل أساسي بالقيود التي لا يزال يتعين التغلب عليها في مجال الإنتاج بكميات كبيرة وإدارة التكاليف. لا تزال عمليات صنعها معقدة، ولم تؤد الأبحاث بعد إلى تحديد الشوارد الفعالة حقًا من حيث التوصيل الأيوني. باختصار، لا تزال هناك حاجة إلى الوقت. ولكن كم؟ بضع سنوات أخرى. على الأقل…

 ثم هناك مشكلة أخرى: الموثوقية. تميل بطاريات الحالة الصلبة، مثل جميع البطاريات الأخرى، إلى التشوه أثناء الشحن والاستخدام. يمكن أن يؤدي غياب السوائل داخل الخلايا إلى ضغوط أكبر يمكن أن تؤثر على الأداء السليم للبطاريات نفسها. ولمعالجة هذه العيوب، جزئيًا على الأقل، تستخدم بطاريات الحالة الصلبة بشكل أساسي خلايا من النوع الجيبي – أو الجيوب – والتي تكون بطبيعتها أكثر مرونة.

 حتى الآن، لم تقم أي شركة تصنيع سيارات بتسويق سيارة كهربائية مزودة ببطارية صلبة. قدمت نيوض، وهي أقرب شركة مصنعة لهذه التقنية، بطارية شبه صلبة بسعة ١٥٠ كيلوواط في الساعة ومدى يصل إلى ١٠٠٠ كيلومتر (٦٢١ ميلاً)، لكن هذا ليس نفس الشيء تمامًا.

 ومع ذلك، فإن المشهد يتطور بسرعة، وقريبًا، ستصل بطاريات الحالة الصلبة “الحقيقية” إلى السوق. في الواقع، هناك العديد من الشركات المصنعة التي، من خلال استغلال الاتفاقيات مع الشركات المتخصصة، سوف تكون قادرة على استخدام هذه التكنولوچيا في غضون سنوات قليلة.

 تويوتا، التي تشهد ثورة تكنولوچية حقيقية في مجال البطاريات، ستحصل عليها في عام ٢٠٢٨. كما حددت نيسان لنفسها هذا الأفق الزمني. ولكن هناك من سيفعل ذلك عاجلاً: شركة ستيلانتيس ، التي حددت هدف التسويق التجاري في عام ٢٠٢٦ ، وستفعل شركة فولكسڤاجن ، التي تعمل مع شركة كوانتم، الشيء نفسه تقريبًا. وكذلك بالنسبة لشركة مرسيدس، التي وضعت نصب أعينها وتتفاوض لبناء مصنع في فرنسا. وبدأت شركتا بي أم دبليو وفورد، اللتان استثمرتا بكثافة في مجال الطاقة الصلبة، بالفعل في اختبار النماذج الأولية. وكذلك العديد من الآخرين.