هل تصبح بطاريات السيارات الكهربائية مصنوعة من الصخور قريبًا؟ بديلاً صديقًا للبيئة وأكثر كفاءة وأمانًا

من المتوقع أن تصبح البطاريات الصلبة المصنوعة من سيليكات الصخور خلال عقد من الزمن بديلاً صديقًا للبيئة وأكثر كفاءة وأمانًا من بطاريات الليثيوم أيون الحالية.

تمكن باحثون في الجامعة التقنية في الدنمارك (DTU) من تسجيل براءة اختراع لمادة فائقة التأين تعتمد على سيليكات البوتاسيوم، وهو معدن يمكن استخراجه من الصخور العادية.

الجيل الجديد من البطاريات الخالية من الليثيوم

بطارية الليثيوم أيون، التي تستخدم عادة في السيارات الكهربائية، لها حدود من حيث السعة والسلامة والتوافر. إن الليثيوم باهظ الثمن، ويضر بالبيئة، وندرته قد تعيق التحول الأخضر لوسائل النقل بالسيارات.

مع تحول المزيد من الناس إلى السيارات الكهربائية، هناك حاجة ملحة إلى جيل جديد من البطاريات الخالية من الليثيوم والتي تتميز بالكفاءة والصديقة للبيئة وأقل تكلفة في الإنتاج. وهذا يتطلب تطوير مواد جديدة للمكونات الرئيسية للبطارية (الأنود والكاثود والإلكتروليت) وإنشاء تصميمات جديدة للبطاريات.

يركز الباحثون في جميع أنحاء العالم على هذا المجال لتقليل انبعاثات الكربون من قطاع النقل بشكل كبير.

سيليكات الصخور للبطاريات

في جامعة دلهي للتكنولوجيا، قام الباحث محمد خوشكالام بتطوير مادة لديها القدرة على استبدال الليثيوم في البطاريات المستقبلية: بطاريات الحالة الصلبة القائمة على سيليكات البوتاسيوم والصوديوم، وهي معادن شائعة موجودة في قشرة الأرض .

هذه السيليكات الصخرية، الموجودة في الأحجار العادية، ليست حساسة للهواء والرطوبة، مما يسمح بتشكيلها في طبقة رقيقة مثل الورق داخل البطارية.

الإمكانات الهائلة لسيليكات البوتاسيوم

إن الإمكانات الهائلة لهذه المادة البيضاء الحليبية الرقيقة التي تعتمد على سيليكات البوتاسيوم هائلة. فهي غير مكلفة وصديقة للبيئة ويمكن استخراجها من السيليكات التي تغطي أكثر من 90% من سطح الأرض.

وتستطيع هذه المادة توصيل الأيونات عند درجة حرارة تبلغ نحو 40 درجة مئوية، وهي غير حساسة للرطوبة، مما يجعل إنتاج البطاريات في المستقبل أسهل وأكثر أمانًا وأقل تكلفة. ويرجع هذا إلى إمكانية إنتاجها في جو مفتوح وفي درجات حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة.

بالإضافة إلى ذلك، تعمل هذه المادة دون إضافة معادن باهظة الثمن أو ضارة بالبيئة مثل الكوبالت، المستخدم في بطاريات الليثيوم أيون لتعزيز السعة وعمر الخدمة.

قال خوشكالام، “لقد كانت إمكانات سيليكات البوتاسيوم كإلكتروليت في الحالة الصلبة معروفة منذ فترة طويلة، ولكن في رأيي تم تجاهلها بسبب التحديات المتعلقة بوزن وحجم أيونات البوتاسيوم. الأيونات كبيرة وبالتالي تتحرك بشكل أبطأ” .

مادة فائقة التأين من سيليكات البوتاسيوم

يمكن أن يكون الإلكتروليت الموجود في البطارية عبارة عن مادة سائلة أو صلبة، مما يسمح للأيونات بالتحرك بين أنود البطارية وكاثودها، مما يحافظ على التيار الكهربائي أثناء التفريغ والشحن.

يعد الإلكتروليت عنصرًا أساسيًا في سعة البطارية ووقت الشحن وعمرها الافتراضي وسلامتها، تتحرك الأيونات الموجودة في سيليكات الصخور بشكل أبطأ عمومًا من تلك الموجودة في الإلكتروليتات السائلة القائمة على الليثيوم أو الإلكتروليتات ذات الحالة الصلبة لأنها أكبر حجمًا وأثقل وزنًا.

ومع ذلك، فقد طور خوشكالام مادة فائقة التأين من سيليكات البوتاسيوم تمكن الأيونات من التحرك بشكل أسرع من تلك الموجودة في الإلكتروليتات القائمة على الليثيوم.

وقال خوشكالام “أظهر القياس الأول باستخدام مكون البطارية، إن المادة تتمتع بموصلية كهربائية جيدة للغاية كإلكتروليت في الحالة الصلبة، لا أستطيع الكشف عن كيفية تطويري للمادة، حيث تم تسجيل الوصفة والطريقة الآن كبراءة اختراع”.

بطاريات الصخور في المستقبل

يرى كل من الباحثين ومصنعي السيارات الكهربائية، أن بطاريات الحالة الصلبة هي بطاريات المستقبل الفائقة.

أعلنت شركة تويوتا مؤخرًا عن خططها لإطلاق سيارة كهربائية ببطارية ليثيوم صلبة بحلول عام 2027-2028، ومع ذلك، أعلنت العديد من شركات تصنيع السيارات سابقًا عن سيارات كهربائية ببطاريات صلبة ثم تراجعت لاحقًا.

في البطارية ذات الحالة الصلبة، تنتقل الأيونات عبر مادة صلبة بدلاً من السائل، وهذا يسمح بحركة أسرع للأيونات، مما يجعل البطارية أكثر كفاءة وأسرع في الشحن.

يمكن تصنيع خلية بطارية واحدة بسمك قطعة من الورق المقوى، مع تشكيل الأنود والكاثود والإلكتروليت الصلب لطبقات رقيقة للغاية، وينتج عن هذا بطاريات أقوى تشغل مساحة أقل، مما يسمح لها بالسير لمسافة تصل إلى 1000 كيلومتر بشحنة واحدة لمدة 10 دقائق.

بالإضافة إلى ذلك، تعتبر البطاريات ذات الحالة الصلبة أكثر مقاومة للحريق، لأنها لا تحتوي على سوائل قابلة للاشتعال.

التحديات والقيود

ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من التحديات قبل أن يتسنى تسويق بطاريات الحالة الصلبة. ورغم أن هذه التكنولوجيا تعمل بشكل جيد في المختبرات، فإن توسيع نطاق الإنتاج أمر صعب ومكلف.

أبحاث البطاريات معقدة وتستغرق وقتا طويلا، ويجب تطوير طرق جديدة لإنتاج البطاريات وختمها لضمان الاتصال المستمر والوظيفة.

على عكس بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة، فإن بطاريات الحالة الصلبة القائمة على سيليكات البوتاسيوم والصوديوم لديها مستوى جاهزية تكنولوجية منخفض (TRL)، مما يعني أن الأمر سيستغرق حوالي 10 سنوات لتسويقها تجاريًا.

ورغم المخاطر العالية، يظل خوشكالام متفائلاً، ويقول: “لقد أظهرنا أننا نستطيع العثور على مادة لإنتاج إلكتروليت الحالة الصلبة، وهي مادة رخيصة وفعالة وصديقة للبيئة وقابلة للتطوير ــ بل إنها تعمل بشكل أفضل من إلكتروليتات الحالة الصلبة القائمة على الليثيوم”.

وقد حصل خوشكالام على براءة اختراع للوصفة، وهو يعمل على تأسيس شركة ناشئة تدعى K-Ion لتطوير مكونات إلكتروليت الحالة الصلبة لشركات البطاريات، والخطوة التالية هي إنشاء بطارية تجريبية لإظهار فعالية المادة، ومن المتوقع أن يتم إنتاج النموذج الأولي في غضون عام إلى عامين.