بطاريات مبتكرة من الليثيوم الصلبة.. تُشحن خلال في 3 دقائق فقط

صدق أو لا تصدق, يختبر العلماء حالياً “بطارية تشحن في ثلاث دقائق”، والأغرب, تعيش لمدة 50 سنة، البطارية تدعى, “بطاريات الليثيوم الصلبة” أو “بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة”، يجرى إعداد هذه البطارية التى تمثل ثورة فى عالم البطاريات, بولاية كولورادو الأمريكية”.

تأتى هذه البطارية كخطوة هامة من شأنها إحداث ثورة في عالم الشحن الكهربائي، وحل المشكلات التي تواجه صناعة السيارات الكهربائية.

البطارية الصلبة التي يسعى العلماء لتوظيفها فيما يعرف ببطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة، فهي تقنية بطاريات تستخدم أقطاباً صلبة وإلكتروليتاً (موصلاً) صلباً، بدلاً من السائل أو الإلكتروليتات الهلامية البوليمرية الموجودة في بطاريات الليثيوم أيون أو بطاريات الليثيوم بوليمر. أما البطارية التقليدية, فتستخدم بطارية الليثيوم أيون التقليدية سائل إلكتروليت موصل للكهرباء مع فاصل بين الأقطاب يسمح للأيونات بالمرور. ومن هنا تأتي أهمية مشروع تطوير بطاريات الليثيوم الصلبة، أي بطاريات ليثيوم تستخدم موصلات “إلكتروليتات” صلبة وليست سائلة.

في منطقة خالية من الرطوبة والملوثات أنتجت شركة Solid Power أول خلايا بطارية ليثيوم صلبة معدنية بالحجم الكامل. تبدو هذه التقنية جيدة جداً لدرجة يصعب تصديقها من الناحية النظرية. إنها ستؤدي إلى قفزة تقدر بـ10 أضعاف الطاقة المخزنة في البطارية (أو 10 أضعاف في السعة)، مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية. 

مميزات بطارية الليثيوم أيون السائلة العاملة حالياً

بطارية الليثيوم أيون السائلة التقليدية هي بالفعل أعجوبة حديثة جلبت جائزة نوبل لباحثيها الرئيسيين، وذلك بفضل كثافة الطاقة غير المسبوقة لمادة الليثيوم. لقد كانت، على سبيل المثال، نعمة فورية لمرضى جهاز تنظيم ضربات القلب، الذين يمكنهم الآن الاعتماد على بطارية لمدة 10 سنوات بدلاً من سنتين. لكن تأثير الليثيوم الأكبر على البطاريات جاء مع بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن في التسعينيات للإلكترونيات المحمولة والسيارات الكهربائية. ولطالما كان الليثيوم محور أبحاث البطاريات لعقود لأنه موصل ممتاز. 

يقول الدكتور جون ليو، المدير في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني في ريتشلاند بواشنطن: “معدن الليثيوم هو أعلى المواد التي نعرفها سعة“. 

يقول جيف ساكاموتو، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة ميشيغان الأمريكية والمتخصص في بطاريات الحالة الصلبة “إن الليثيوم يخلق جهداً عالياً حقاً، وبالمقارنة مع القلويات الأخرى مثل البوتاسيوم أو الصوديوم، فإن الليثيوم له أصغر حجم أيون، وثالث أقل وزن ذري في الجدول الدوري، ما يعني المزيد من الإلكترونات، وبالتالي المزيد من الكهرباء المخزنة مع وزن وحجم بطارية أصغر.

كثافة الطاقة لخلايا أيون الليثيوم أكبر بأربعة أضعاف من تلك الموجودة في بطاريات النيكل والكادميوم، التي حلت بطاريات الليثيوم محلها إلى حد كبير.

لكن لماذا يريد المصنعون استخدام البطاريات الصلبة محل السائلة؟

تبحث صناعة السيارة الكهربائية عن بطارية خفيفة وسريعة الشحن ومقاومة للتآكل. ويعتقد أنهم اكتشفوا ذلك في التطورات الأخيرة في معدن الليثيوم عبر استخدامه في بطاريات صلبة.

تستخدم بطاريات الليثيوم السائلة الحالية إلكتروليتاً سائلاً، أي مادة سائلة موصلة تتدفق خلالها الأيونات بين القطبين الموجب والسالب.

وتتضمن بطاريات الليثيوم الحالية السائلة ما يعرف باسم التشعبات، وهي هياكل ليثيوم متفرعة تنمو من القطب الموجب. 

المشكلة تكمن في هذه التشعبات، فقد تؤدي إلى التآكل وثقب أجزاء البطارية وتقليل الدائرة الكهربائية للخلية. 

في بطارية الليثيوم أيون التقليدية المزودة بإلكتروليت سائل، يمكن أن يؤدي ذلك إلى نشوب حريق، وذلك لأن السائل الذي يتحلل من الكهرباء هو مذيب قابل للاشتعال، وهو السبب الذي يقف وراء حرائق البطارية المركبة على متن الطائرات.

وصل العلماء في النهاية إلى حل لمنع نمو التشعبات، أزال بالفعل خطر نشوب حريق: وهو عبارة عن إلكتروليت صلب، غالباً ما يكون مصنوعاً من سيراميك مشابه لأشباه الموصلات، يحل محل السائل القابل للاشتعال ويمنع نمو التشعبات. 

ولكن تفرض الطبيعة الهشة للسيراميك -التي تؤدي إلى تشققات- صعوبات تصنيع إضافية. 

هناك عقبة أخرى في بطاريات الليثيوم التقليدية العاملة حالياً، هي إعادة الشحن، كما يقول نيل داسغوبتا، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة ميشيغان، الذي يدرس بطاريات الليثيوم المعدنية الصلبة. 

يقول إن بطاريات الليثيوم أيون تفي بمعايير الصناعة الخاصة بشحن أكثر من 1000 مرة قبل أن تتحلل بشكل كبير. “إذا كنت تقوم بتوصيل هاتفك خمس مرات في الأسبوع لمدة أربع سنوات، فقد شحنته بالفعل أكثر من ألف مرة“. 

لم تكشف شركة Solid Power عدد مرات الشحن التي يمكن أن تصلها نماذجها الأولية الحالية، لكن ويل ماكينا، مدير الاتصالات بالشركة، يقول إنهم يدفعون لتجاوز الـ1000 دورة شحن.

تشحن في 3 دقائق، فماذا يعني ذلك لصناعة السيارات الكهربائية؟

نتائج تجارب بطاريات الليثيوم الصلبة أكثر إثارة للإعجاب في مجال آخر هو فترة شحن البطارية، إذ تمكنت خلية بطاريات الليثيوم الصلبة المعدنية الخاصة بهم من إعادة الشحن في ثلاث دقائق فقط. 

يعد طول فترة الشحن واحدة من أكبر عيوب السيارات الكهربائية مقارنة بالسيارات العاملة بالوقود الأحفوري.

إذا تمكنت تقنية بطاريات الليثيوم الصلبة من العمل في السيارات الكهربائية، فذلك يعني القدرة على إعادة شحن السيارة في نفس الوقت (أو أقل) المطلوب لملء خزان الوقود بالبنزين أو السولار. 

وتحتاج معظم المركبات الكهربائية حالياً إلى ثلاث ساعات على الأقل لإعادة الشحن، والشحن السريع يكون في أفضل حالاته في حدود نصف ساعة أو أكثر.

الهدف الحالي للشركة هو صنع نوع من بطاريات الليثيوم الصلبة لديه ضعف كثافة الطاقة الموجودة في خلايا السيارات اليوم.

يعني ذلك بطاريات أقل وزناً، وأسرع في الشحن.

ليس هذا فقط، يُعتقد أن البطارية قد تصل 1000 دورة شحن، كما يمكن أن يصل عمر البطارية المتوقع إلى 25 سنة أو حتى نصف قرن، كما يقول الدكتور شين لي، أحد باحثي هارفارد الذين يعملون في مشروع البطاريات الليثيوم الصلبة.

وتعرّف العالم على سيارة كهربائية ذات بطارية صلبة في أولمبياد طوكيو، حيث قامت شركة تويوتا للسيارات، بالتعاون مع شركة باناسونيك لصناعات البطاريات، بتجهيز أسطول من سياراتها الاختبارية LQ بهذه البطاريات. يمكن رؤية LQs على شكل فقاعة بعد سباقات الماراثون للرجال والسيدات، وحتى إنها لعبت دور البطولة في الإعلانات التجارية للألعاب الأولمبية.