بطاريات الحالة الصلبة.. شحن أسرع وعمر أطول وثورة في السلامة
تشرح دراسة جديدة من جامعة كاليفورنيا، ريفرسايد، نُشرت في مجلة Nano Energy، سبب كون هذه التكنولوجيا على استعداد لتحويل كل شيء من السيارات الكهربائية إلى الإلكترونيات الاستهلاكية، وتمثل قفزة كبيرة في تخزين الطاقة.
تستبدل هذه البطاريات السائل القابل للاشتعال الموجود في الإصدارات القياسية بمادة صلبة أكثر أمانًا وكفاءة.
وبينما قد تستغرق بطاريات اليوم من 30 إلى 45 دقيقة للوصول إلى 80% من الشحن، يمكن لبطاريات الحالة الصلبة تقليص هذا الوقت إلى 12 دقيقة، وفي بعض الحالات، إلى ثلاث دقائق فقط.
قال جنكيز أوزكان، المؤلف الرئيسي وأستاذ الهندسة الميكانيكية بجامعة كاليفورنيا ريفرسايد، إن الفوائد تكمن في الكيمياء والهندسة.
وأضاف: «بإزالة السائل واستخدام مواد صلبة مستقرة بدلاً منه، يمكننا ضخ المزيد من الكهرباء إلى البطارية دفعة واحدة بأمان، دون مخاطر ارتفاع درجة الحرارة أو الحرائق”.
تنقل بطاريات الليثيوم أيون التقليدية أيونات الليثيوم، وهي الجسيمات التي تحمل الشحنة الكهربائية، عبر سائل، لكن هذا السائل قد يتحلل بمرور الوقت، مما يحد من سرعة الشحن ويشكل خطر حريق.
أما بطاريات الحالة الصلبة فتستخدم مادة صلبة، مما يوفر بيئة أكثر أمانًا واستقرارًا لحركة أيونات الليثيوم. وهذا يتيح شحنًا أسرع وأكثر كفاءة مع تقليل المخاوف المتعلقة بالسلامة.
تُعرف المادة الصلبة داخل هذه البطاريات باسم إلكتروليت الحالة الصلبة.
وتُسلّط هذه المراجعة الضوء على ثلاثة أنواع رئيسية: إلكتروليتات الكبريتيد، وإلكتروليتات الأكسيد، وإلكتروليتات البوليمر.
لكل نوع نقاط قوة؛ بعضها يسمح للأيونات بالتحرك بشكل أسرع، وبعضها الآخر يوفر استقرارًا طويل الأمد أو سهولة في التصنيع.
ومن أبرز هذه الأنواع، الإلكتروليتات القائمة على الكبريتيد، التي تُضاهي السائل في الأداء، ولكن دون عيوبه.
يصف الباحثون أيضًا الأدوات التي يستخدمها العلماء حاليًا لمراقبة عمل البطاريات آنيًا. تتيح تقنيات مثل التصوير النيوتروني والأشعة السينية عالية الطاقة للباحثين رؤية كيفية تحرك الليثيوم داخل البطارية أثناء شحنها وتفريغها.
يساعد هذا في تحديد المناطق التي يعلق فيها الليثيوم أو حيث تبدأ هياكل غير مرغوب فيها تُسمى «التغصنات» بالنمو.
والتغصنات هي تكوينات صغيرة تشبه الإبرة، ويمكن أن تتسبب في حدوث قصر كهربائي أو تعطل البطارية.
فهم هذه العمليات الداخلية أساسي لتحسين جودة البطاريات. قال أوزكان: «تُشبه أدوات التصوير هذه التصوير بالرنين المغناطيسي للبطاريات، فهي تتيح لنا مراقبة العلامات الحيوية للبطارية واتخاذ خيارات تصميم أكثر ذكاءً».
تميل بطاريات الحالة الصلبة أيضًا إلى استخدام الليثيوم بكفاءة أعلى. تتميز العديد من التصاميم بطبقة معدنية من الليثيوم تمكّنها من تخزين طاقة أكبر في مساحة أقل مقارنة بطبقات الجرافيت المستخدمة في البطاريات الحالية.
هذا يعني أن بطاريات الحالة الصلبة يمكن أن تكون أخف وزنًا وأصغر حجمًا مع الاستمرار في تشغيل الأجهزة لفترات أطول.
في حين تبدأ بطاريات الليثيوم أيون التقليدية عادة في إظهار تدهور ملحوظ بعد حوالي 5 إلى 8 سنوات من الاستخدام في المركبات الكهربائية، يمكن أن تظل بطاريات الحالة الصلبة عاملة لمدة 15 إلى 20 عامًا أو أكثر، بحسب الاستخدام والعوامل البيئية.
مستقبل السفر بين النجوم واستكشاف الفضاء
وقال أوزكان: «على الرغم من كون بطاريات الليثيوم أيون التقليدية ثورية، إلا أنها تصل إلى حدود أدائها وسلامتها مع انتشار المركبات الكهربائية وشبكات الطاقة المتجددة والإلكترونيات المحمولة وأنظمة الطيران والفضاء على نطاق أوسع وزيادة الطلب عليها».
وأشار إلى أن بطاريات الحالة الصلبة يمكن أن تلعب أيضًا دورًا محوريًا في مستقبل السفر بين النجوم واستكشاف الفضاء.
وبفضل استقرارها الحراري والكيميائي، تُعد هذه البطاريات أكثر قدرة على تحمّل درجات الحرارة القصوى وظروف الإشعاع في الفضاء الخارجي. كما أنها قادرة على تخزين طاقة أكبر في مساحة أقل، وهو أمر بالغ الأهمية للمهام التي تُعد فيها كل سنتيمتر مكعب مهمًا.
وبدون الإلكتروليتات السائلة، ستكون أكثر موثوقية في البيئات المغلقة التي تُدار بالأكسجين، مثل المركبات الفضائية أو القواعد الكوكبية.
التحديات لا تزال قائمة
وكان هدف الباحثين من هذه المراجعة هو توجيه الباحثين وخبراء التكنولوجيا نحو تسريع تطوير أنظمة الحالة الصلبة وإمكانية التوسع فيها ونشرها في العالم الحقيقي.
لكن التحديات لا تزال قائمة؛ إذ لا يزال إنتاج هذه البطاريات على نطاق واسع صعبًا ومكلفًا. وقدمت الورقة البحثية خارطة طريق لحل هذه المشكلات، بما في ذلك تطوير مواد أفضل، وتحسين تفاعل أجزاء البطاريات، وتحسين تقنيات التصنيع لتسهيل الإنتاج.
واختتم أوزكان: “تقترب بطاريات الحالة الصلبة من الواقع يومًا بعد يوم. تُظهر مراجعتنا مدى التقدم العلمي والخطوات اللازمة لجعل هذه البطاريات متاحة للاستخدام اليومي”.
