البطاريات الصلبة تعتبر نوعاً من البطاريات الكهربائية التي تستخدم إلكتروليتاً صلباً للتوصيل الأيوني بين الأقطاب الكهربائية بدلاً من الإلكتروليت السائل أو الهلامي الموجود في البطاريات التقليدية. تُمثل هذه البطاريات قفزة نوعية في عالم الطاقة، إذ تقدم كثافة طاقة أعلى بكثير من البطاريات الليثيوم-أيون التقليدية. 
ولكن، لكي نفهم مدى أهمية هذه التقنية، نحتاج إلى الغوص في تفاصيلها وتاريخها ومكوناتها وتطبيقاتها، وكذلك التحديات التي تواجهها.
تاريخ البطاريات الصلبة
أصول التكنولوجيا
تم اكتشاف الإلكتروليتات الصلبة في القرن التاسع عشر على يد العالم مايكل فاراداي الذي اكتشف الإلكتروليتات الصلبة مثل كبريتيد الفضة وفلوريد الرصاص، ما وضع الأسس لتقنية الأيونات الصلبة.
تطورات القرن العشرين
في أواخر الخمسينيات من القرن العشرين، تم استخدام عدة أنظمة كهروكيميائية موصلة للفضة بالإلكتروليتات الصلبة، لكنها كانت تعاني من كثافة طاقة منخفضة وفولتيات خلايا منخفضة ومقاومة داخلية عالية. في عام 1967، تم اكتشاف التوصيل الأيوني السريع في β-ألومينا، مما أدى إلى تطوير أجهزة كهروكيميائية صلبة معززة بكثافة طاقة أعلى. في الثمانينات، طورت مختبرات أوك ريدج الوطنية إلكتروليت الليثيوم-فوسفور الأوكسينيتراتي (LiPON) الذي استخدم في بطاريات الليثيوم الرقيقة.
الفترة الحديثة (2010-2023)
شهد العقد الماضي طفرة في الاهتمام بتكنولوجيا البطاريات الصلبة. في عام 2011، تم تقديم أول إلكتروليت صلب (Li10GeP2S12) قادر على تحقيق توصيل أيوني يعادل أو يتجاوز نظيره السائل عند درجة حرارة الغرفة. 
تبعت هذه الاكتشافات جهود عديدة من شركات السيارات والصناعات الأخرى لتطوير وتطبيق هذه التقنية في وسائل النقل والعديد من التطبيقات الأخرى.
المواد المستخدمة في البطاريات الصلبة
إلكتروليتات صلبة
تتضمن المواد المرشحة للاستخدام كإلكتروليتات صلبة السيراميك مثل أكسيد الليثيوم أورثوسيليكات، الزجاج، والسولفيدات. تعد الإلكتروليتات الصلبة القائمة على الكلوريد بديلاً واعداً بفضل توصيلها الأيوني العالي وقدرتها على التشكيل بالإضافة إلى ثباتها الأكسيدي الممتاز ومرونتها العالية.
الأقطاب الكاثودية
تشتمل الأقطاب الكاثودية على مواد أساسها الليثيوم مثل LiCoO2 وLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2. تُعتبر بطاريات الليثيوم-كبريت (Li-S) والليثيوم-أوكسجين (Li-O2) واعدة بفضل سعتها النظرية العالية، رغم التحديات التي تواجهها في التطبيقات العملية.
الأقطاب الأنودية
تتفاوت الأقطاب الأنودية بشكل كبير تبعاً لنوع الإلكتروليت المستخدم. تشمل الأمثلة الأقطاب المصنوعة من إنديوم، سيليكون، وأكاسيد المعادن مثل SnO-B2O3.
التكنولوجيا: بطاريات الليثيوم أيون والبطاريات الصلبة
مكونات بطارية الليثيوم أيون
تتألف بطارية الليثيوم أيون من أربعة مكونات رئيسية: القطب الموجب (الكاثود)، والقطب السالب (الأنود)، والفاصل، والإلكتروليت. تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون في الهواتف الذكية، والأدوات الكهربائية، والمركبات الكهربائية (EVs) وتحتوي على محلول إلكتروليت سائل. على العكس، تستخدم البطاريات الصلبة إلكتروليت صلب بدلاً من السائل.
مقارنة بين بطارية الليثيوم أيون والبطارية الصلبة
إذا نظرنا إلى الصورة أدناه، سنلاحظ أن بطارية الليثيوم أيون التجارية تحتوي على فاصل يبقي القطب الموجب والقطب السالب متباعدين، مع محلول إلكتروليت سائل. من ناحية أخرى، تستخدم البطارية الصلبة إلكتروليت صلباً يلعب دور الفاصل أيضًا.
سلامة بطاريات الليثيوم أيون
أحد أكبر المخاوف لدى المستخدمين حول بطارية الليثيوم أيون هو السلامة. تحتوي بطاريات الليثيوم أيون الحالية على مخاطر التلف مثل التورم الناتج عن تغير درجة الحرارة أو التسرب الناتج عن القوة الخارجية، بسبب استخدامها لمحلول الإلكتروليت السائل. لذلك، نحتاج إلى أجهزة أو مكونات يمكنها تحسين السلامة.
تحسين السلامة مع البطاريات الصلبة
بالمقابل، تُظهر البطاريات الصلبة مع الإلكتروليت الصلب استقراراً محسنًا بفضل هيكلها الصلب وزيادة في السلامة لأنها تحافظ على شكلها حتى في حال تلف الإلكتروليت.
أسباب تطوير البطاريات الصلبة
لماذا نحتاج إلى بطاريات صلبة؟ السبب الرئيسي هو زيادة سعة بطاريات المركبات الكهربائية (EV). تتوقع شركات أبحاث السوق أن المركبات الكهربائية ستستبدل المركبات التي تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي (ICEVs) وتصبح السائدة في صناعة السيارات. ولتصبح القائد بلا منازع في هذه الصناعة، يجب أن تتمتع المركبات الكهربائية بمدى ميل مشابه لمركبات الاحتراق الداخلي الحالية، ومن المهم زيادة سعة بطارية المركبات الكهربائية لتحقيق ذلك.
طرق زيادة السعة
هناك طريقتان لزيادة السعة. الأولى هي زيادة عدد البطاريات، ولكن في هذه الحالة يرتفع سعر البطارية وتحتل البطاريات مساحة كبيرة في المركبة. أما البطارية الصلبة، فتتمتع بكثافة طاقة أعلى من بطارية الليثيوم أيون التي تستخدم محلول الإلكتروليت السائل. وليس لها خطر الانفجار أو الحريق، لذا لا تحتاج إلى مكونات للسلامة، مما يوفر مساحة أكبر. وبهذا يمكننا استخدام المساحة المتبقية لوضع المزيد من المواد الفعالة التي تزيد من سعة البطارية.
كثافة الطاقة في البطاريات الصلبة
يمكن للبطارية الصلبة زيادة كثافة الطاقة لكل وحدة مساحة لأن عدد البطاريات المطلوب أقل. ولهذا السبب، تُعتبر البطارية الصلبة مثالية لإنشاء نظام بطارية المركبات الكهربائية من وحدة وحزمة تحتاج إلى سعة عالية.
اتجاهات السوق للبطاريات الصلبة
تعمل شركة سامسونج SDI حالياً على تطوير البطاريات الصلبة. نحن أيضًا نتعاون مع معاهد أخرى مثل معهد سامسونج للتكنولوجيا المتقدمة ومعهد سامسونج للأبحاث في اليابان وغيرهم. قدمت سامسونج SDI تقنيات البطاريات الصلبة على المدى المتوسط والطويل في معرض السيارات أو معارض البطاريات منذ عام 2013، ونحن حاليًا في مرحلة تطوير تكنولوجيا العنصر التجاري.
إنجازات سامسونج SDI
في مؤتمر إعلان نتائج الربع الثاني لعام 2020، ذكرنا أننا “رأينا إمكانية تطوير بطارية ذات كثافة طاقة عالية وأمان عالٍ من خلال دمج تقنية المواد المختبرة وموادنا الجديدة مثل الإلكتروليت الصلب.” في مارس، عرض معهد سامسونج للتكنولوجيا المتقدمة نتيجة بحث حول بطارية صلبة يمكن شحنها وتفريغها أكثر من 1000 مرة بمدى يصل إلى 800 كم بشحنة واحدة.
وتم نشر الدراسة حول التكنولوجيا التي تزيد من دورة الحياة والسلامة وتقلل حجم البطارية الصلبة إلى النصف في مجلة “Nature Energy” العلمية العالمية.
مستقبل البطاريات الصلبة
يجب علينا تطوير البطارية الصلبة لجعل المركبات الكهربائية تسير لمسافات أطول وتعمل بأمان. قد تواجهنا العديد من العقبات في المستقبل نظرًا لأننا في المرحلة الأولى من التطوير، ولكن سامسونج SDI ستبذل قصارى جهدها لتطوير تكنولوجيا “الفجوة العظمى” لتحقيق ذلك.
باختصار، يشكل تطوير البطاريات الصلبة خطوة كبيرة نحو تحقيق أهداف الاستدامة وزيادة كفاءة المركبات الكهربائية، مما سيغير بلا شك مستقبل الصناعة ويعزز من اعتماد المركبات الكهربائية كبديل فعال ومستدام للمركبات التقليدية.
إنجازات شركة تويوتا
أعلنت شركة تويوتا عن اختراق سيتيح إنتاج بطاريات صلبة “تغيير اللعبة” بحلول عام 2028. هذه البطاريات ستكون أخف وزناً وأكثر قوة من البطاريات الحالية، مما يمنح السيارات الكهربائية مدى يصل إلى 1200 كيلومتر ووقت شحن يبلغ 10 دقائق فقط. ولكن هل يجب أن نعقد آمالنا عليها؟
ما هي البطاريات الصلبة؟
بطاريات الليثيوم أيون التي نعتمد عليها في هواتفنا المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية تحتوي على إلكتروليت سائل، تتدفق الأيونات من خلاله في اتجاه واحد لشحن البطارية وفي الاتجاه الآخر عند تفريغها. البطاريات الصلبة، كما يشير اسمها، تستبدل هذا السائل بمواد صلبة.
مزايا التخلص من الإلكتروليت السائل
على الرغم من أن بعض نماذج البطاريات الصلبة لا تزال تستخدمه، إلا أن أحد أكبر مزايا التخلص من الليثيوم هو أنه نادر ويضر بالبيئة عند استخراجه. من المرجح أن تزداد ندرة الليثيوم مع تحول العالم بعيدًا عن الوقود الأحفوري نحو استخدام المزيد من الكهرباء المتجددة المخزنة في البطاريات.
المزايا التقنية والاقتصادية للبطاريات الصلبة
تتمتع البطاريات الصلبة أيضًا بمزايا تقنية ولوجستية واقتصادية. إزالة الإلكتروليت السائل تجعل البطاريات أقل عرضة للحرائق. بينما يتم شحن بطاريات الليثيوم التقليدية بسرعة حتى 80% من سعتها، فإنها تشحن ببطء من هناك إلى 100%. يمكن شحن البطاريات الصلبة بالكامل بسرعة أكبر.
كثافة الطاقة والوزن
بشكل حاسم، الإلكتروليتات الصلبة أقل كثافة، لذلك يمكن أن تكون البطارية الصلبة أصغر وأخف وزناً من منافستها من الليثيوم أيون. يمكن أن يجعل هذا السيارات الكهربائية أصغر وأخف وزناً، أو يمنحها مدى أكبر لنفس الحجم والوزن. يمكن أن تجعل كثافة الطاقة العالية والوزن المنخفض حتى الطائرات الكهربائية قابلة للتطبيق.
المدة الزمنية لتحقيق البطاريات الصلبة
البطاريات الصلبة ليست جديدة – تم إنشاء الإلكتروليتات الصلبة في القرن التاسع عشر من قبل مايكل فاراداي، وهي تستخدم حالياً في زراعة الأجهزة الطبية. ولكن تقنية تصنيعها بتكلفة منخفضة كانت بعيدة المنال.
الاستثمارات في البطاريات الصلبة
تدفقت الشركات على البحث عن الفوائد الواضحة. استثمرت فورد وبي إم دبليو في شركة تسمى “Solid Power” التي قالت سابقاً إنها ستصنع ما يكفي من الخلايا لـ 800,000 سيارة سنويًا بحلول عام 2028، بينما استثمرت مرسيدس بنز في شركة أخرى تسمى “Factorial Energy”. جاءت ادعاءات تويوتا بعد توقيعها اتفاقية في وقت سابق من هذا الشهر مع شركة البترول اليابانية “Idemitsu Kosan”، التي تقول إنها كانت تعمل على إلكتروليت صلب من الكبريتيد. تأمل الشركات في بدء تصنيع بطارية صلبة للسيارات في عام 2027 أو 2028، مع زيادة الإنتاج في وقت لاحق.
النجاح الأكاديمي والصناعي
حققت الأوساط الأكاديمية أيضًا نجاحات كبيرة. في وقت سابق من هذا العام، تمكن فريق من الأكاديمية الصينية للعلوم في بكين من إعادة شحن بطارية ليثيوم-كبريت الصلبة 1400 مرة، مما يثبت أن هذه الأنواع من الأجهزة يمكن أن يكون لها عمر طويل.
تطوير ناسا للبطاريات
طورت ناسا أيضًا بطارية مصنوعة من خلايا صلبة مكدسة من الكبريت والسيلينيوم، والتي تقول إنها يمكن أن تخفض وزن البطارية بنسبة تصل إلى 40% بينما تضاعف كثافة الطاقة ثلاث مرات.
المستقبل الواعد للبطاريات الصلبة
ولكن لم تترجم هذه الادعاءات الجريئة بعد إلى منتجات في العالم الحقيقي. في الوقت الحالي، يضع إعلان تويوتا الشركة في قائمة متزايدة من الشركات التي تراهن على تكنولوجيا البطاريات الصلبة. الزمن كفيل بأن يخبرنا أي شركة ستصل أولاً ومدى الدعم الذي يمكن أن تقدمه التصاميم الجديدة للبطاريات.
التطبيقات المحتملة للبطاريات الصلبة
السيارات الكهربائية
تعد البطاريات الصلبة من أكثر التطبيقات الواعدة في صناعة السيارات الكهربائية. توفر كثافة طاقة أعلى وأماناً أكبر مقارنة بالبطاريات التقليدية، مما يعزز من مدى السيارة ويقلل من مخاطر الحرائق.
الأجهزة الطبية
تستخدم البطاريات الصلبة في أجهزة تنظيم ضربات القلب نظراً لحجمها الصغير وأمانها العالي.
الأجهزة القابلة للارتداء
توفر البطاريات الصلبة طاقة عالية وأداءً مستقراً في الظروف البيئية القاسية، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الأجهزة القابلة للارتداء.
الفضاء
تعد البطاريات الصلبة خياراً مناسباً للأجهزة الفضائية بفضل قدرتها على العمل في الظروف البيئية القاسية.
الطائرات بدون طيار
بفضل خفة وزنها وكفاءتها العالية، يمكن للبطاريات الصلبة زيادة زمن طيران الطائرات بدون طيار وتحسين أدائها.
التحديات التي تواجه البطاريات الصلبة
التكلفة
تعد التكلفة العالية لتصنيع البطاريات الصلبة من أكبر التحديات التي تواجه انتشارها. تتطلب العمليات التصنيعية معدات ترسيب فراغية باهظة الثمن، مما يجعل تكلفتها باهظة في التطبيقات الاستهلاكية.
الحساسية للضغط ودرجة الحرارة
تعاني البطاريات الصلبة من مشاكل الأداء في درجات الحرارة المنخفضة. تتطلب بعض الإلكتروليتات السيراميكية ضغطاً عالياً للحفاظ على الاتصال بين الأقطاب الكهربائية.
مقاومة الواجهة
تشكل المقاومة العالية بين الكاثود والإلكتروليت الصلب تحدياً طويل الأمد أمام البطاريات الصلبة.
نمو التشعبات
تواجه الأنودات الصلبة المصنوعة من الليثيوم مشكلة نمو التشعبات التي يمكن أن تسبب دوائر قصيرة وتؤدي إلى حالات تفريغ طاقة غير آمنة.
الفشل الميكانيكي
تواجه البطاريات الصلبة فشلاً ميكانيكياً بسبب تغيرات الحجم في الأنود والكاثود أثناء عملية الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى تكوين فجوات تقلل من كفاءة نقل الأيونات.
آفاق المستقبل
رغم التحديات التي تواجه البطاريات الصلبة، فإن الأبحاث المستمرة والتطويرات التقنية تعد بتحقيق تحسينات كبيرة في الأداء والتكلفة. من المتوقع أن تُحدث البطاريات الصلبة ثورة في العديد من الصناعات، بدءًا من السيارات الكهربائية وحتى الأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة الطبية.
الخاتمة
تُعد البطاريات الصلبة تكنولوجيا واعدة تحمل إمكانيات هائلة لتحسين وتطوير تقنيات تخزين الطاقة. من خلال تحسين كثافة الطاقة والأمان والاستدامة، يمكن أن تلعب هذه البطاريات دوراً رئيسياً في الانتقال إلى مصادر طاقة أكثر نظافة وكفاءة. ومع استمرار الأبحاث والتطوير، يمكن أن تصبح البطاريات الصلبة جزءاً أساسياً من حياتنا اليومية، مما يعزز من تطور الصناعات التكنولوجية والنقل والأجهزة المحمولة.