المصدر: موقع الطاقة
يأتي تطوير بطاريات الحالة الصلبة ضمن جهود تعزيز طفرة صناعة السيارات الكهربائية، والعمل على نشرها بوتيرة أسرع، لتكون بديلًا لمركبات محرك الاحتراق الداخلي.
ويشهد الوقت الحالي اتجاه العديد من الشركات إلى تطوير بطاريات الحالة الصلبة، لتحل بدلًا من بطاريات الليثيوم أيون، مع تميزها بقدرات قد تساعد على زيادة شعبية السيارات الكهربائية بين الأفراد، وفقًا لما نقله موقع توب سبيد (TopSpeed).
وتعمل بطاريات الحالة الصلبة (Solid-state batteries) على مبدأ بطاريات الليثيوم أيون نفسه (liquid li-ion battery) إلى حد كبير، ولكنها تستعمل إلكتروليتًا صلبًا بدلًا من السائل.
ومن أبرز الشركات التي دخلت قائمة المنافسة على تطوير ذلك النوع من البطاريات شركتا سوليد باور وكوانتوم سكيب، إذ دخلتا في شراكة مع شركات مثل بي ام دبليو، وفورد، وفولكس فاغن، للعمل على تطوير تلك التكنولوجيا، التي لها عدّة مزايا يستعرضها التقرير فيما يلي.
1- كثافة الطاقة
تتميّز بطاريات الحالة الصلبة بالعديد من المزايا، أبرزها تمتعها بكثافة طاقة أعلى مقارنة بالليثيوم، ما يسمح للسيارات الكهربائية بقطع مسافات تصل إلى 600 ميل في بعض الحالات.
وتحتوي خلية بطاريات الحالة الصلبة على مكونات داخلية مختلفة بصورة كاملة عن بطاريات الليثيوم أيون.
ويوضح التقرير أن خلية بطاريات الحالة الصلبة تحتوي على أقطاب كهربائية وإلكتروليتات صلبة تساعد على تحسين أمن البطارية وسلامتها، في حين تحتوي بطاريات الليثيوم أيون أو الليثيوم بولمير على مواد قابلة للاشتعال.
وبفضل الكثافة العالية في بطاريات الحالة الصلبة، فإنها تكون قادرة على استيعاب ما يصل إلى 3 أمثال سعة بطاريات الليثيوم أيون، وهو ما يعني توافر بطاريات بأحجام أصغر ذات إمكانات أعلى وطويلة المدى.
2- بطاريات ذات وزن أقل
يُعدّ عامل الوزن -أيضًا- من أبرز ما يميز بطاريات الحالة الصلبة، فهي ذات وزن أقل بصورة كبيرة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون، وهو ما يمثّل عنصرًا إيجابيًا لكفاءة الطاقة والتكلفة.
ويساعد ذلك على صناعة سيارات كهربائية أخف وزنًا، وهو ما تحتاج إليه بعض الشركات المصنعة مثل بورشه الألمانية.
وبصفة عامة، تُسهم البطاريات الأخف وزنًا بصورة إيجابية في أداء السيارة وكفاءة البطارية وقوة المحرك، وفي المقابل يتطلب إنتاج بطاريات الليثيوم أيون عددًا أكبر من الخلايا لتقديم طاقة أكبر، ما يجعلها ذات وزن أثقل.
3- سعة البطارية
بفضل كثافة الطاقة الأعلى التي تتميّز بها بطاريات الحالة الصلبة فإن مدى السيارات الكهربائية سيكون أطول، لأن وجود أقطاب كهربائية صلبة في ذلك النوع من البطاريات يجعلها قادرة على حمل طاقة أكبر من الليثيوم أيون.
وتشير التقديرات إلى أن بطاريات الحالة الصلبة قادرة على حمل طاقة ما بين مرتين إلى 3 مرات ما تحمله بطارية الليثيوم أيون، ما يجعل المركبة الكهربائية قادرة على قطع مسافات تتراوح ما بين 500 و600 ميل.
وهو ما عدّه التقرير بأن سيكون إنجازًا كبيرًا للسيارات الكهربائية بصفة عامة، فهو سيؤدي إلى وجود تشابه أكبر مع محركات الاحتراق الداخلي، ما يقضي على القلق من المسافة التي تقطعها المركبات الكهربائية.
4- استقرار البطارية وسلامتها
من عيوب بطاريات الليثيوم أنها عرضة للسخونة والاشتعال والانفجار، ولكن في المقابل تبرز بطاريات الحالة الصلبة بصفتها بديلًا أكثر استقرارًا نتيجة مكوناتها غير القابلة للاشتعال.
وتضمن مكونات بطاريات الحالة الصلبة العمل في درجات حرارة أعلى بكثير مقارنة ببطاريات الليثيوم، ما يقلل من مخاطر الاحتراق، خاصة أنها مقاومة للضغط العالي.
كما تتميّز بمكونات مقاومة للصدمات، وهو ما أرجعه التقرير إلى أن بطاريات الحالة الصلبة تحتوي على مكونات أقل تجعلها أكثر إحكامًا من بطاريات الليثيوم، لتكون أقل عرضة للتلف في حالة وقوع حادث.
5- مواد أرخص وتكاليف تصنيع أقل
المواد التي تتكون منها بطاريات الحالة الصلبة لا تستهلك طاقة كبيرة لتصنيعها مقارنة ببطاريات الليثيوم.
ومنها على سبيل المثال، أن بطاريات الحالة الصلبة لا تتكون من إلكتروليتات سائلة، ما ينفي الحاجة إلى طاقة إضافية حتى تتبخر ثم تتكثف مرة أخرى في صورة سائلة.
ورغم ذلك، يمكن ربط السعر المرتفع لبطاريات الحالة الصلبة في الوقت الحالي بتكلفة إصلاح عدة عيوب بها مثل التشعبات التي تتراكم في البطارية في أثناء الشحن والتي تؤثر في أدائها.
وتُعدّ هذه المشكلة أحد الأسباب التي أخّرت ظهور تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة، وهو الأمر الذي يعتقد مصنعو السيارات أنه حال التخلّص من هذه العقبة، فإن المواد اللازمة للإنتاج ستكون رخيصة بما يكفي للتأثير في سعر السيارات الكهربائية.
وبناءً على ذلك، من المتوقع تصنيع بطاريات الحالة الصلبة بكميات كبيرة وبتكلفة أقل بكثير لإنتاج سيارات كهربائية أرخص مستقبلًا.
6- الشحن السريع
في الوقت الراهن، تحتاج بطاريات السيارات الكهربائية إلى وقت طويل للشحن الكامل، ومع اعتماد بطاريات الحالة الصلبة، فإن هذا الوقت قد يتقلص بصورة كبيرة، لأنه من الممكن شحنها في أقل من 10 دقائق، مثل التوقف عند مضخة البنزين.
ولذلك ستؤدي سرعة الشحن إلى مزيد من الأمان والراحة في الرحلات الطويلة، مثل السيارات العاملة بمحركات الاحتراق الداخلي.
وتتميز البطاريات الصلبة -أيضًا- بمعدل احتفاظ أعلى بالشحن، ما يعني أنه حتى بعد أوقات طويلة من عدم الاستعمال، ستحتفظ المركبات الكهربائية بمعظم شحناتها لمدّة أطول.
7- التحكم في درجة الحرارة
تُعدّ إدارة درجة الحرارة من المخاوف الرئيسة التي تثير القلق بشأن بطاريات السيارات الكهربائية في الوقت الحالي، ومن الممكن أن تعالج بطاريات الحالة الصلبة هذه المشكلات نظرًا إلى خصائصها الفريدة.
ويأتي ذلك مع تميّز البطاريات الصلبة بكونها أكثر استقرارًا وقادرة على تحمل درجات الحرارة القصوى على عكس بطاريات الليثيوم أيون، لأن عدم وجود إلكتروليت سائل يعني أن لديها درجة حرارة أقل بكثير.
وهذا هو السبب في أنها مثالية للاستعمال في المركبات الكهربائية، التي غالبًا ما تتعرض لدرجات حرارة مرتفعة في الخارج وأخرى شديدة البرودة في الداخل.
كما يمكن لنظام إدارة الحرارة هذا أن يقلل بصورة كبيرة من المخاطر المرتبطة بارتفاع درجة الحرارة، ما يحافظ على كفاءة تشغيل البطارية ويزيد من عمرها الافتراضي.
8- الأثر البيئي
تُصنّف بطاريات الحالة الصلبة بأنها صديقة للبيئة بصورة أكبر من بطاريات الليثيوم أيون، إذ لا تحتاج عملية إنتاجها إلى معادن أرضية نادرة مثل الكوبالت أو النيكل.
وأدخلت التطورات الحديثة لإنتاج البطاريات الصلبة إلكتروليت بوليمر متناهي الصغر وكاثودات فلوريد الحديد، ما يجعلها قادرة على توفير أكثر من ضعف الطاقة لكل كيلوغرام من بطاريات الليثيوم أيون وبتكلفة أقل بكثير.
9- متانة وعمر أطول
طبيعة إنتاج بطاريات الحالة الصلبة التي تعتمد على إدماج المواد اللازمة للتصنيع، يجعل حركة المواد أقل داخل الخلايا، إذ إن وجود القطب الصلب يعني أن تحليل الخلايا يكون أقل.
ويعني ذلك أن بطاريات الحالة الصلبة من المتوقع أن تتمتع بدورة حياة أفضل من بطاريات الليثيوم أيون، وهو ما عدّه التقرير بأنه سيخفض تكاليف صيانة البطارية نظرًا إلى عمرها الأطول.
ويعمل العمر التشغيلي الأطول -أيضًا- على تقليل العبء الملقى على الصناعة بشأن إعادة التدوير مواد البطارية أو التخلص منها، بالإضافة إلى أنه يقلل من الغازات الخطرة المنبعثة من البطاريات المستهلكة والمتروكة في مكبات النفايات.
10- تنوع الاستعمالات
لا يتوقف استعمال بطاريات الحالة الصلبة على السيارات الكهربائية، وإنما يتعدى إلى جميع أنواع المركبات، مثل الدرجات النارية التقليدية ذات العجلتين والشاحنات والسيارات الرياضية.
وتتميز بطاريات الحالة الصلبة -أيضًا- بالسرعة الثابتة في أثناء تشغيل المحرك، عكس بطاريات الليثيوم التي تعطي السرعة من 0 إلى 60 ميلًا في الساعة، ولكن سرعان ما تبدأ في التناقص بسبب الليثيوم ومشكلاته مع درجات الحرارة المرتفعة.
