بطاريات ليثيوم أيون الحالة الصلبة: مستقبل الالكترونيات الاستهلاكية

ملخص

بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة هي تقنية بطاريات ناشئة تتمتع بالعديد من المزايا المهمة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون السائلة التقليدية. وهذا أيضًا يجعل بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة تعتبر الجيل التالي من تكنولوجيا البطاريات. على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة لا تزال لديها العديد من المجالات التي تحتاج إلى تحسين من حيث السلامة, قوة, وكثافة الطاقة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون الأكثر تقدمًا المتوفرة اليوم, مثل الاعتماد على اكتشاف وتطبيق إلكتروليتات صلبة عالية الجودة لتحل محل المحاليل السائلة المستخدمة حاليًا.

صناعة بطاريات الليثيوم تتطور باستمرار, إجراء أبحاث كل يوم لتطوير تقنيات مبتكرة عالية الأداء بشكل متزايد لضمان أن هذا المنتج لديه نطاق أكبر, قوة أكبر, ووقت شحن أقصر.
بهذا المعنى, يبدو أن تكنولوجيا البطاريات ذات الحالة الصلبة هي الحدود الأخيرة للتكنولوجيا, وهذا الحل الناشئ لديه إمكانات كبيرة ليصبح مستقبل السيارات الكهربائية. لديها سلسلة من المزايا الضخمة, ولكن أيضًا العديد من القيود التي تؤخر دخولها إلى السوق.

ما هي بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة?  

إجابة مباشرة: كلاهما بطاريات الليثيوم, ولكن سيكون من الأفضل.
مبادئ عملهم هي نفسها, باستثناء أنه لا يوجد مكون سائل داخل بطارية الليثيوم ذات الحالة الصلبة. في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية, المنحل بالكهرباء سائل. ويتكون بشكل عام من أملاح الليثيوم (مثل ليبف 6, ليبف 4, أو LiClO 4) يذوب في المذيبات العضوية (مثل كربونات الإيثيلين, كربونات ثنائي ميثيل, إلخ.). يوجد مكون سائل يسمى المنحل بالكهرباء في بطارية الهاتف الذكي, والذي يسمح لأيونات الليثيوم بالتدفق بحرية وتوفير الطاقة لجهازك بعد الشحن. ويؤدي هذا أيضًا إلى ظاهرة تسمى تسرب السائل عند سقوط هاتفك.

بطارية الحالة الصلبة مقابل ليثيوم أيون: كشف الاختلافات

في تطوير تخزين طاقة البطارية, يتنافس اثنان من المنافسين الرئيسيين على المركز الأول: بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات الليثيوم أيون. تعمل هذه البطاريات القوية على تشغيل الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية وأنظمة الطاقة المتجددة لدينا. مع ظهور بطارية الحالة الصلبة تكنولوجيا, تشهد صناعة البطاريات ثورة تكنولوجية, تحدي الموقف المهيمن لبطاريات الليثيوم أيون.
ولكن ما هو الفرق الرئيسي بين بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات الليثيوم أيون?
كما ذكر من قبل, الفرق الرئيسي يكمن في تكوين المنحل بالكهرباء, والتي يمكن رؤيتها أيضًا من أسمائهم. بجانب, يمكننا معرفة المزيد. ويمكن أيضا أن يفهم على أنه, لماذا دراسة بطاريات الليثيوم الصلبة? ما هي فوائده?

كثافة الطاقة

بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة： يمكن لهذا النوع من البطاريات أن يحمل ما يقرب من ضعف الطاقة التي تحملها بطاريات الليثيوم أيون السائلة, خاصة عند استبدال المواد الأنودية بمواد أصغر.

بطارية ليثيوم أيون：قد تختلف سعة بطاريات الليثيوم أيون المكونة من مواد خام كيميائية مختلفة, ولكن بالمقارنة مع بطاريات الحالة الصلبة, كثافة الطاقة الخاصة بهم أقل.

مادة المنحل بالكهرباء

إلكتروليت البطارية عبارة عن خليط كيميائي موصل يسمح للأيونات المعدنية بالتدفق بين الأنود والكاثود, مما يؤدي إلى تفاعلات كهروكيميائية.
يتمثل الاختلاف الرئيسي بين بطاريات الليثيوم أيون الشائعة وبطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة المتوفرة في السوق في أن الأولى تستخدم إلكتروليتًا سائلًا لتنظيم التيار, بينما تختار بطاريات الحالة الصلبة إلكتروليتًا صلبًا.

بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة: يؤدي استخدام الإلكتروليتات الصلبة بدلاً من السوائل إلى وزن إجمالي أخف وكثافة طاقة أعلى. سيكون لهذا أيضًا بعض مزايا الوزن في بعض وسائل النقل.

بطارية ليثيوم أيون: تحدث التفاعلات الكهروكيميائية في الشوارد السائلة, مما يسبب تدفق أيونات الليثيوم بين الكاثود والأنود.

تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على أنواع كيميائية مختلفة, وهناك أيضًا اختلافات بينهما. هناك LCO, الكائنات الحية المحورة, LFP, NCA, طويل الأجل, وهكذا. يمكنك قراءة هذا المقال بعنوان “6 الأنواع الكيميائية لبطاريات الليثيوم أيون التي يمكنك الاختيار من بينها” للحصول على فهم أكثر تفصيلا.

سلامة بطارية الليثيوم

بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة: تقلل الإلكتروليتات الصلبة من مخاطر الحوادث الحرارية, مما يجعلها أكثر أمانا, ليس فقط في النقل ولكن أيضًا في الاستخدام.

بطارية ليثيوم أيون: من السهل مواجهة مشكلات السلامة مثل ارتفاع درجة الحرارة, توسع, والنار, تشكل خطورة أكبر من بطاريات الرصاص الحمضية.

كم تدوم بطارية الليثيوم

بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة: تتمتع الإلكتروليتات الصلبة بثبات أعلى وتفاعل أقل مقارنة بالسوائل, مما يؤدي إلى عمر خدمة أطول نسبيًا.

بطارية ليثيوم أيون: عدد المرات التي يمكن فيها شحن البطارية محدود ضمن نطاق معين. تتطلب بطاريات الليثيوم أيون السائلة متطلبات درجة حرارة أعلى قليلاً, ودرجة الحرارة المحيطة للشحن, التفريغ, وعادة ما يشار إلى الاستخدام. تتميز بعمر افتراضي أقصر مقارنة ببطاريات الحالة الصلبة.

هيكل بطاريات الحالة الصلبة

تحتوي كل بطارية ليثيوم أيون على:
قطبين كهربائيين, وهي مركبات قادرة على قبول أيونات الليثيوم المدمجة في بنيتها.
يشير الكاثود إلى القطب الموجب للبطارية المصنوعة من مواد الكاثود مثل LFP, إن إم سي, الكائنات الحية المحورة, إلخ.
يشير الأنود إلى القطب السالب للبطارية المصنوعة من مادة الأنود (مثل المواد غير الفعالة مثل الكربون أو الجرافيت).
التقسيم المركزي, وهي عبارة عن طبقة رقيقة مصنوعة من البوليمر البلاستيكي (البولي ايثيلين أو البولي بروبيلين), بمثابة حاجز بين الأنود والكاثود, وكذلك عازل.
المنحل بالكهرباء: وسيلة لحركة الأيونات; السوائل العضوية التي تحتوي على أملاح الليثيوم. يملأ المنحل بالكهرباء الحجم بالكامل داخل البطارية, يغمر الأقطاب الكهربائية, ويسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك.

في بطاريات الليثيوم أيون الموجودة, وتتمثل المهمة الرئيسية للفاصل في العزل, ولكن ليس لديه وظائف أخرى. إنه مشبع بالكامل بالكهرباء السائلة. عادة ما يكون الأنود مصنوعًا من الجرافيت, وتتحرك أيونات الليثيوم عبر المنحل بالكهرباء ويتم إدخالها في الهياكل البلورية للأنود والكاثود. تحتوي هذه الهياكل على فجوات في الداخل يمكنها استيعاب جزيئات أيون الليثيوم الصغيرة للغاية.

لكن, يختلف الهيكل الداخلي لبطاريات الحالة الصلبة لأن جميع مكوناتها ووسائطها صلبة.
تتكون بطاريات الحالة الصلبة من المكونات التالية:
الأنود: مصنوعة من معدن الليثيوم (الليثيوم النقي).
الكاثود: مصنوعة من نفس مركب بطاريات الليثيوم أيون (مثل LFP, إن إم سي, الكائنات الحية المحورة, إلخ.).
غشاء, عادة السيراميك أو البوليمر الصلب, يستخدم أيضًا كإلكتروليت.
الطبقة الرمادية في المنتصف عبارة عن فاصل صلب, والذي لا يعمل فقط كفاصل بين الأنود والكاثود, ولكن أيضًا كإلكتروليت.

لذلك, إنه وسيلة لحركة الأيونات وله وظيفة العزل الكهربائي, بمثابة غشاء ميكانيكي بين الأنود والكاثود. يمكن لهذا الدعم القوي والمتين إزالة هيكل الجرافيت للأنود, التأكد من أن معدن الليثيوم يتراكم مباشرة على الأنود. فضلاً عن ذلك, هناك بعض الحلول شبه الصلبة, حيث يكون المنحل بالكهرباء عبارة عن مادة تشبه الهلام.
يمكن ملاحظة أن مفهوم بطاريات الحالة الصلبة يتفوق من حيث المساحة والتطبيق المادي للإلكتروليتات والفواصل.

كيف تعمل بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة?

مبدأ عمل بطاريات الحالة الصلبة يشبه إلى حد كبير بطاريات الليثيوم أيون التقليدية, إلا أنها تستخدم الشوارد الصلبة بدلا من الشوارد السائلة التي تتدفق من خلالها أيونات الليثيوم. أكبر ميزة للقيام بذلك هي أن بطاريات الحالة الصلبة لا تحتوي على جميع مخاطر السلامة مثل الشوارد السائلة.
لكن المبدأ الأساسي للعملية هو نفسه. في بطاريات الحالة الصلبة, يتراكم الليثيوم النقي عند القطب الموجب للبطارية, ثم يتدفق من القطب السالب إلى القطب الموجب أثناء التفريغ, تتراكم على شكل معدن بدلاً من احتواء أقطاب أكسيد المعدن مثل بطاريات الإلكتروليت السائلة القياسية. هذه الميزة لا تجعل البطارية أكثر أمانًا فحسب, ولكنه يوفر أيضًا مساحة كبيرة.

ما هي مزايا بطاريات الحالة الصلبة?  

حجم المنتج

حلت إلكتروليتات الحالة الصلبة محل الفواصل في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية, تشغل مساحة أقل وتجعلها أخف وزنًا من بطاريات الليثيوم أيون العادية. إن التقدم التكنولوجي لديه القدرة على تطبيقه في مجالات مثل الطائرات والشاحنات للنقل.

وزن البطارية

الليثيوم هو أخف عنصر معدني, والذي يسمح لأنودات معدن الليثيوم في بطاريات الحالة الصلبة بتوفير كثافة طاقة أعلى في العبوات الأصغر. بهذه الطريقة, أصبحت بطاريات الحالة الصلبة خيارًا خفيف الوزن.
على سبيل المثال, مع استمرار نمو حجم السيارات الكهربائية, وتتزايد أيضًا سعة البطارية المطلوبة من أجل الحفاظ على بيانات النطاق, مما يؤدي أيضًا إلى مشكلة زيادة الوزن. لأن الوزن الزائد سيؤدي إلى زيادة تآكل الإطارات, مما يؤدي إلى المزيد من الملوثات الجسيمات. لذلك, إن تقليل وزن السيارات الكهربائية وبطارياتها لا يساعد فقط على تقليل انبعاثات العادم, ولكنه يقلل أيضًا من تآكل الإطارات وإطلاق الجسيمات. يمكن أن توفر بطاريات الحالة الصلبة متطلبات أساسية ممتازة لها.

السلامة ومدة الاستخدام

تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على إلكتروليتات سائلة متطايرة وقابلة للاشتعال, والتي تشكل خطر الحريق. بطاريات الحالة الصلبة, على الجانب الآخر, يمكن أن يتحمل درجات الحرارة المرتفعة ويتمتع بثبات حراري أقوى, تحضير لهم أكثر أمانا.
بسبب حجمها الأصغر وكثافة الطاقة العالية, يمكن لبطاريات الحالة الصلبة تخزين المزيد من الطاقة في مساحة أصغر, مما يعني أن استخدامها يمكن أن يحسن عمر البطارية.

تدعي إحدى الشركات المصنعة أن سيارتها الكهربائية يمكنها السفر 745 أميال بشحنة واحدة.
من حيث سرعة الشحن, بطاريات الحالة الصلبة ممتازة أيضًا. عادةً ما تستغرق بطاريات الليثيوم أيون في السيارات الكهربائية 20 دقائق ل 12 ساعات للشحن الكامل, بينما يمكن شحن بطاريات الحالة الصلبة على الأقل 80% من قدراتهم في مجرد 10 ل 15 دقائق.
تتمتع بطاريات الحالة الصلبة أيضًا بعمر أطول ويمكن شحنها لمدة تصل إلى 5 مرات أكثر من بطاريات الليثيوم أيون, وبالتالي إطالة العمر الإجمالي للبطارية. تظهر مقارنة البيانات أن بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة متفوقة.

تقليل البصمة الكربونية

تستخدم بطاريات الحالة الصلبة مواد أقل ويمكن أن تقلل من التأثير المناخي 39% مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون. وهذا يعني أنها أيضًا أكثر صداقة للبيئة وتتماشى مع مفهوم تطوير الحياد الكربوني.

شحن سريع

وقد وجدت أحدث الأبحاث أن سرعة شحن بطاريات الحالة الصلبة أسرع بست مرات من تقنيات شحن الليثيوم أيون الحالية. ولكن من أجل تحقيق هذه السرعة, وقد يتم التضحية ببعض مؤشرات الأداء الرئيسية الأخرى, لذلك هناك حاجة إلى مزيد من التحسين.
لكن, ويمكن التأكد من أن الإلكتروليتات السائلة عرضة للتلف عند درجات الحرارة المرتفعة, بينما تعمل الإلكتروليتات الصلبة بشكل أفضل في درجات الحرارة المرتفعة. وهذا يعني أن بطاريات الحالة الصلبة يمكن أن تعمل بشكل أفضل أثناء الشحن السريع وتوليد الحرارة, ويمكن أيضًا اعتبارها أنها لا تفقد أدائها من حيث توليد الحرارة.

لماذا نحتاجهم؟?  

من خلال إدخال بطاريات ليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة, تحليل الاختلافات بين بطارية الحالة الصلبة وبطارية ليثيوم أيون, ومزايا بطارية الحالة الصلبة, لقد اكتسبنا فهما شاملا.
لماذا نحتاجهم؟?
يجب أن تحتوي بطاريات الليثيوم السائلة التقليدية على حجم كبير لتشغيل المعدات الكبيرة مثل السيارات. وهذه البطاريات لها مخاطر تتعلق بالسلامة, وقد تتوسع بسبب التغيرات في درجات الحرارة أو التسرب عند تعرضها لضغط مفرط. تجدر الإشارة إلى أن السائل الموجود بداخله قابل للاشتعال.
لقد عانى الجميع من القلق “بطاريات الهاتف المحمول على وشك النفاد” ويدرك أن مسألة عمر البطارية أثناء الاستخدام تعد عاملاً أيضًا.

على الرغم من التقليدية بطاريات الليثيوم أيون تحسنت مقارنة بالبطاريات السابقة, ولا تزال لديهم أوجه قصور في معالجة هذه القضايا. سرعة الشحن البطيئة والعمر المحدود تجعل أداءها ضعيفًا في العديد من التطبيقات.
وتعمل بطاريات الحالة الصلبة على حل هذه المشكلات تدريجيًا. لديهم حجم أصغر ولكن سعة أكبر, أخف وزنا, وسلامة أعلى. سرعة الشحن أسرع والعمر أطول, لذلك يمكنها تعويض عيوب بطاريات الليثيوم التقليدية بشكل كبير. ولهذا السبب أيضًا نحتاج إليهم.

متى سوف نحن تكون قادرة على رؤية بطاريات الليثيوم أيون الحالة الصلبة

تم استخدام تكنولوجيا الحالة الصلبة بكميات صغيرة في المجالات التالية:
بطاريات مناسبة للعمل في المناخات المناسبة
بطارية تطبيقات الفضاء الجوي
بطارية هجينة شبه صلبة أو صلبة.
تم إطلاق شركة سيارات صينية مؤخرًا 50 السيارات المجهزة ببطاريات شبه صلبة
لكن بطاريات الحالة الصلبة لا تزال قيد التطوير, ولا تزال هناك بعض التحديات التي يجب التغلب عليها من أجل تطبيقها تجاريًا على نطاق واسع.

يكلف

في الوقت الحالي, تكلفة إنتاج بطاريات الحالة الصلبة أعلى من تكلفة بطاريات الليثيوم أيون العادية لأنها تستخدم مواد أكثر تكلفة وعملية الإنتاج أكثر تعقيدًا. عادة, يتم تحسين تقنيات السوق الناضجة قبل وضعها موضع الاستخدام, لذلك لا تزال هذه عملية مستمرة.

رفع مستوى

لا يزال معظم تطوير بطاريات الحالة الصلبة في مرحلة المختبر, وتعتبر بطاريات الحالة الصلبة أكثر أمانًا من البطاريات التقليدية. لكن, لا تزال مشكلة مخاطر الدائرة القصيرة الناجمة عن إبرة معدن الليثيوم مثل النمو بحاجة إلى الدراسة وحلها بشكل عاجل. في أثناء, تعد كيفية توسيع نطاق الإنتاج أيضًا موضوع بحث مستمر.

قضايا الاستقرار

تشبه بطاريات الحالة الصلبة عملية التنفس أثناء عملية الشحن والتفريغ. تصبح أنودات معدن الليثيوم أكثر سمكًا أثناء الشحن وأرق أثناء التفريغ. تكمن المشكلة الرئيسية في كيفية الحفاظ على حالته الثابتة والمضغوطة في وقت واحد.
يجب أن تظل البطارية مضغوطة لضمان عدم انفصال الطبقات الداخلية, ولكن مجرد تثبيته على الغلاف الخارجي لا يكفي, حيث أن البطارية تتطلب قابلية تمدد مرنة عندما “التنفس”.

لذلك, فمن الضروري تصميم هيكل ميكانيكي معقد. استخدام النوابض للحفاظ على مرونة جميع المكونات أثناء الضغط, لكن هذا النظام الميكانيكي معقد ومكلف, مما يجعل من الصعب الإنتاج بكميات كبيرة.
بسبب تكوين بطاريات الحالة الصلبة, لا يمكن تجنب التوسع بشكل كامل. عن طريق إجراء البحوث للحد من الطلب على الضغط, يمكن للبطاريات الحفاظ على الاستقرار عند الضغوط المنخفضة أو استخدام مواد أكثر تقدمًا لتلبية الطلب. سيكون هذا هو الاتجاه الرئيسي للتطور التكنولوجي في المستقبل.

الفواصل ودرجة الحرارة

الأيونات هي مواد تحتوي في الواقع على ذرات مشحونة, مما يجعلها أسهل للتحرك في السوائل. للسماح للأيونات بالتحرك بحرية في المواد الصلبة, فواصل (مثل فواصل السيراميك) يجب أن يكون لها مكونات خاصة. في الوقت الحالي, لدينا بعض الشوارد الصلبة عالية الأداء, لكن هذه الإلكتروليتات لا تعمل بشكل جيد في درجة حرارة الغرفة. يمكن أن تصبح موصلات جيدة فقط عند درجات حرارة أعلى 50 درجة مئوية.
وهذا يفرض قيودًا على التطبيق العملي لبطاريات الحالة الصلبة, حيث أن البطاريات الموجودة في المركبات لا يمكنها الحفاظ على درجات حرارة عالية إلى أجل غير مسمى.

عندما تكون درجة حرارة بطاريات الحالة الصلبة ليست عالية, سوف ينخفض ​​​​أدائهم بشكل ملحوظ. لذلك, هناك حاجة إلى مزيد من البحث للتأكد من أن الإلكتروليتات الصلبة يمكن أن تؤدي أداءً جيدًا أيضًا في درجات الحرارة المنخفضة, وذلك لاستخدام بطاريات الحالة الصلبة في المزيد من التطبيقات العملية.

يتقدم البحث والتطوير في مجال بطاريات الحالة الصلبة بسرعة, ويعتقد العديد من الخبراء أن بطاريات الحالة الصلبة ستصبح في النهاية المعيار في مجالات مثل السيارات الكهربائية.

خاتمة

يهتم العديد من مصنعي صناعة البطاريات بهذه التكنولوجيا الواعدة, مثل مرسيدس بنز, فولكس فاجن, تويوتا, تسلا, إلخ., وهم يستثمرون موارد كبيرة في البحث والتطوير. إذا تم حل المشاكل التقنية, سوف يصبحون أول الأشخاص في السوق وبالتالي يمتلكون قوة الخطاب. ومن المنتظر أن يتم إطلاقه بين 2024 و 2026, وهو أمر متوقع للغاية ويستحق الاهتمام به.