البطاريات الصلبة قد تكون مستقبل السيارات الكهربائية مع سعة أكبر بنسبة 50%

يكمن السر في طريقة تصنيع جديدة ومتطورة تلغي عملية الأكسدة المسببة لتآكل مكونات البطارية بسبب غاز ثنائي أكسيد الكربون
بطاريات صلبة

أوضح العلماء بعض الطرق الجديد لإنتاج البطاريات الصلبة من مادة الليثيوم نفسها، وذلك من خلال دراسة ركزت على عملية تصنيع البطاريات بشكل عام، حيث قام باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالتعاون مع مختبر بروكهافن الوطني في نيويورك، بتحقيق هدف كان صعب البلوغ سابقا. ذلك كان عبارة عن إزالة مشكلة الأكسدة، وهذا قد يساهم في صناعة بطاريات مستقبلية أقل تعقيدا بكثير.

  • إقرأ أيضاً: ثورة الفوتونات: ذهبية الوثب العالي في الحوسبة الكمومية
  • يمكن لبطاريات الحالة الصلبة امتلاك كثافة أكبر، وبالتالي سعة أكبر مع تقليل التأكسد بفضل عملية تصنيع محسنة.
  • لكن تصنيع أجزاء صلبة متلامسة داخل البطارية يعد عملية صعبة التحقيق.
  • المواد الغازية المحبوسة داخل البطارية تؤدي إلى تآكل بعض من أجزائها.

البطاريات الصلبة من الليثيوم

يعتبر اكتشاف عملية تصنيع البطاريات في حالتها الصلبة حدث تقني عظيم فعلا، وذلك لأنها ذات عمر طويل جداً وبالطبع ما تزال قابلة لإعادة الشحن في كل مرة. ليس ذلك فقط، بل مع سعة أكبر حتى الضعف من بطاريات ليثيوم أيون التقليدية في حالتها السائلة “الخطيرة”، فهي قابلة للاشتعال بسبب مكون يدعى “electrolytes”. لذلك تعد البطاريات في حالتها الصلبة أكثر أمانا وحتى أكثر كفاءة واستدامة، وهذا سوف يكون نقلة نوعية ضخمة في قطاع الصناعات التقنية، بداية من البطاريات “قليلة السعة” في الهواتف الذكية، وصولا حتى البطاريات الضخمة في السيارات الكهربائية التي ترسم لنا صورة واضحة للمستقبل.

  • الإلكتروليتات أو “electrolytes”: هي عبارة عن أيونات تمتلك طاقة كهربائية معتدلة تنتقل عبر حركتها المستمرة.

العوائق في تصنيع “البطاريات الصلبة”

بطاريات ليثيوم صلبة مستقبل السيارات الكهربائية

هناك بعض الأسباب التي تمنع من تصنيع بطاريات الليثيوم في حالتها الصلبة وإحداث ثورة تقنية هائلة في مختلف قطاعات الصناعة، وينقسم ذلك إلى شقين هما توصيل الطاقة، وعدم الوصول إلى حالة مستقرة حيث تندمج المواد.

المشكلة الأولى سهلة الفهم، حيث كانت البطاريات السائلة مسبقا لا تواجه أية مشكلة في نقل تلك الطاقة بداخلها، لأن الإلكترونات تمتلك حرية التنقل بشكل كبير في الحالة السائلة “الإلكتروليتات”، لكن هذا أكثر صعوبة داخل المادة الصلبة بسبب حركة أقل حرية بكثير للجسيمات.

أما بالنسبة للمشكلة الثانية، فنحن بحاجة لتشبيه من الحياة اليومية الخاصة بشخص يعمل في مصنع مثلجات “آيس كريم”. هذا العامل يقوم يومياً بعمله بسهولة، حيث يعمل على غمس قطع من المثلجات بنكهة الفانيليا داخل وعاء من الشوكولا السائلة، ولكن يأتي صاحب المصنع ويقوم بتغيير تلك الطريقة. الآن، أصبح يتوجب على العامل أن يقوم بتغطية تلك المثلجات بألواح من الشوكولا الصلبة مسبقة الصنع!

تكوين البطارية

بالطبع هذه العملية أصبح تحقيقها أصعب بكثير من السابق، وتغطية قطعة من “البوظة” بالشوكولا في حالتها الصلبة ليس سهل بالتأكيد، ولكن هذا ليس كل شيء. هنا يجدر الإشارة إلى أن هذه العملية قد تؤدي إلى احتباس الهواء بين الطبقتين، وهذا غير مؤذي في حالة المثلجات اللذيذة، لكنه يسبب العديد من المشاكل في “بطارية”، حيث ينتج عن احتباس الغازات العديد من المشاكل على جميع المواد التي تلمسها في الداخل.

الحلول المتوفرة

حل المشاكل

يتم التغلب على مشكلة الغازات المحبوسة بطريقتين، الأولى هي تقنية تصنيع تدعى “التلبيد”، وهذا يتضمن تسخين المواد لتصبح طرية مع حرية في التمدد وسد الثغرات، لكنها لا تذوب بالكامل. هذا يساعد في عدم وجود غازات محبوسة بين المواد، مما ينتج تطابق صلب بين المواد. الطريقة الثانية تعمل باستخدام طبقات من طلاء أكثر ليونة، مما يساعد على تكوين عزل تام بين المواد الصلبة.

  • التلبيد أو “Sintering” أو “frittage”: هي عملية تكوين كتلة متجانسة من المواد بفضل الحرارة والضغط دون إذابتها إلى الحالة السائلة.

أحدث الأبحاث تقول أن تحسين جودة الطريقة الأولى “التلبيد” يمكن أن يلغي الحاجة بشكل كامل للطريقة الثانية “الطلاء العازل”. هذا يعمل على إزالة مرحلة تصنيع كاملة، مما يخفف التكاليف الناتجة عنها بسبب الحاجة لاستخدام مواد خاصة بطلاء البطاريات. يقول العلماء بعد أبحاث مكثفة داخل المختبرات، أن السر في ذلك يكمن في إزالة غاز ثاني أكسيد الكربون المسبب للتآكل، والذي يكون محبوسا بين طبقات المواد الصلبة أثناء عملية “التلبيد”.

  • الكاثود أو “Cathode”: هو القطب الموجب أو المؤكسد الذي يجذب إلكترونات من الوسط الخارجي ثم يتم تقليل شحنتها أثناء التفاعل الكهروكيميائي

نتيجة لذلك، إن إزالة غاز CO2 أثناء عملية التلبيد يعد أمر ضروري جداً للحصول على توصيل جيد مع “الإلكتروليتات” دون تشكيل أية مراحل إضافية. كما أوضحت ورقة بحثية جديدة تم نشرها في مجلة Advanced Energy Materials، أن القيام بعملية التلبيد ضمن وسط مليء بغاز الأكسجين تعتبر مثالية، حيث ينتج عنه استقرار كيميائي ممتاز مع مقاومة منخفضة في المواد المقابلة.

تشبيه

الناتج الأخير من ذلك هو تلحيم أو “ختم” نظيف لا يتآكل، والأرقام الناتجة عن ذلك أظهرت منافسة كبيرة للبطاريات المصنوعة بطريقة الطلاء العازل دون تلك الخطوة. قال الباحثون، إن تبديل الغاز المحيط يعد تغييرا بسيطا يساهم بشكل بسيط في تصنيع بطاريات في الحالة الصلبة. بالرغم من التقدم البطيء لهذه العملية، لكنها قد تكون مستقبل الصناعات التقنية بشكل كلي.