بطاريات الحالة الصلبة: التحديات الحالية والآفاق المستقبلية

مع التطور السريع في صناعات الطاقة الجديدة وتخزين الطاقة، تنشأ متطلبات متزايدة لحلول تخزين الطاقة. فبطاريات الليثيوم أيون السائلة التقليدية غير قادرة على مواكبة هذا التطور.

تظهر تكنولوجيا مثل بطاريات أيون الصوديوم وبطاريات الحالة الصلبة، بالإضافة إلى خلايا الوقود، كبدائل مبتكرة في مجال تخزين الطاقة. توفر هذه التقنيات فرصاً واعدة في مجالات متنوعة مثل السيارات الكهربائية، الأدوات الكهربائية، والطائرات بدون طيار.

شركات البطاريات في جميع أنحاء العالم تستثمر بشكل كبير في البحث وتطوير تقنيات الحالة الصلبة، مما يعزز التطور المستقبلي في هذا المجال.

ومن المتوقع أن يشهد القطاع تحولًا تدريجيًا نحو استخدام بطاريات الحالة الصلبة بحلول عام 2025، مع تحسين معدلات كثافة الطاقة بشكل كبير بحلول عام 2035، والتي من المتوقع أن تصل إلى 500 واط ساعة لكل كيلوغرام.

قائمة بأفضل 10 شركات لتصنيع بطاريات الحالة الصلبة مع الترتيب:

1. تسلا (Tesla)
2. باناسونيك (Panasonic)
3. كاتربيلر (Caterpillar)
4. ليثيوم وركس (Lithium Werks)
5. بي.واي.دي (BYD)
6. كاليفورنيا ليثيوم باتري (California Lithium Battery Inc.)
7. إينرجايزر (Energizer)
8. سوني (Sony)
9. باناسونيك (Panasonic)
10. إينرجي فولتا (Energy Volt)

يرجى ملاحظة أن الترتيب يمكن أن يتغير بناءً على مختلف العوامل مثل الأداء، الابتكار، والتطورات الصناعية.

زيادة كثافة الطاقة بشكل كبير باستخدام تقنيات جديدة في بطاريات الحالة الصلبة

في الماضي، كنا قلقين بشأن اعتماد بطاريات الحالة الصلبة بسبب المخاوف من التغيرات الهيكلية التي قد تحدث على سطح الكاثود نتيجة للتفاعلات الجانبية مع مادة الكاثود ذات الجهد العالي وذوبان المذيب الكهربائي.

باستخدام إلكتروليتات الحالة الصلبة، يصبح من الممكن استخدام مواد كاثود عالية الجهد، مما يزيد من كثافة طاقة البطارية بشكل كبير، وبالتالي يمكن تحقيق كثافة طاقة تتجاوز بسهولة 400 واط ساعة لكل كيلوغرام.

القطب السالب يحدد بشكل كبير سرعة شحن البطارية، والتحدي الرئيسي يكمن في عدم إمكانية تثبيت القطب السالب من معدن الليثيوم داخل المذيب الكهربائي.

مع استخدام المذيب الكهربائي الصلب، لن يحدث تفاعل عنيف بين المذيب الكهربائي والقطب السالب المصنوع من معدن الليثيوم، مما يمكنه من تحقيق وظيفة الشحن السريع والتفريغ السريع في غضون عشر دقائق.

تأثير الإكتروليتات الحالة الصلبة على بطاريات Li-ion في درجات الحرارة المنخفضة

عندما تنخفض درجات الحرارة، يزداد لزوجة الإلكتروليت ويصبح التوصيل الأيوني أبطأ، مما يؤدي إلى عدم توافق سرعة هجرة الإلكترونات في الدائرة الخارجية، ويتسبب في استقطاب خطير للبطارية، وينخفض بشكل كبير سعة الشحن والتفريغ.

مع استخدام إلكتروليتات الحالة الصلبة، لن تتأثر البطارية ببيئة درجات الحرارة المنخفضة، ولن تفقد الطاقة عندما تصل درجة الحرارة إلى -40 درجة مئوية.

الإلكتروليت الصلب يحل مشكلة الغشاء البيني للإلكتروليت السائل، الذي يتكون أثناء عملية الشحن والتفريغ، مما يحسن بشكل كبير عمر دورة بطاريات Li-ion. وبشكل مثالي، يمكن أن تصل عمر الدورة إلى 45,000 مرة.

مقارنة بين سرعة النقل في بطاريات الليثيوم الثلاثية والحالة الصلبة

بطاريات الليثيوم الثلاثية تستخدم إلكتروليتا سائلًا، مما يؤدي إلى وجود سطح تلامس كبير بين المنحل بالكهرباء ومادة الإلكترود، وبالتالي سرعة نقل الأيونات الطبيعية سريعة. على الجانب الآخر، في بطاريات الحالة الصلبة، منطقة الاتصال بين المنحل بالكهرباء ومادة الإلكترود أصغر، مما يسبب بطء في سرعة نقل الأيونات الطبيعية.

التحديات التقنية في إنتاج بطاريات الحالة الصلبة

أصبحت بطاريات الحالة الصلبة تعتبر تحديًا فنيًا بسبب صعوبة تقنيات التصنيع، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الإنتاج وارتفاع التكاليف بشكل كبير. هذا الأمر قد يجعل تكاليف بطاريات الحالة الصلبة تكون عشرات المرات أكثر من بطاريات الليثيوم الثلاثية، مما يحول دون تطبيقها على نطاق واسع.

نظرة مستقبلية لبطاريات الحالة الصلبة

حاليًا، تُعتبر بطاريات الحالة الصلبة مكلفة للغاية، ويرجع السبب الرئيسي لذلك إلى عدم وجود سوق ناضج لها بعد، بالإضافة إلى التكاليف الضخمة للبحث والتطوير والتكاليف الثابتة الأخرى المشتركة. ومن هنا، تصبح تكلفة كل بطارية حالة صلبة باهظة. ومع ذلك، مع التقدم المستمر في مجال العلوم والتكنولوجيا، وتوسيع نطاق السوق، يُعتقد أن بطاريات الحالة الصلبة ستصبح أكثر قربًا وإمكانية، وقد تصبح بديلًا شائعًا في المستقبل.