إذا كانت السيارات الكهربائية ستحل محل السيارت التي تعمل بالغاز والبنزين بالكامل على طرق العالم، فسنحتاج إلى نوع جديد تمامًا من البطاريات.
وعلى الرغم من التحسينات المستمرة على مدى العقد الماضي في كثافة الطاقة وأعمار بطاريات الليثيوم أيون، لا تزال الخلايا في السيارات الكهربائية الجديدة متخلفة عن محركات الاحتراق الداخلي في كل مقياس أداء تقريبًا. يبلغ مدى معظم المركبات الكهربائية أقل من 300 ميل، ويستغرق الأمر أكثر من ساعة لإعادة شحن حزم البطاريات الخاصة بها، وتفقد الخلايا ما يقرب من ثلث قدرتها في غضون عقد من الزمن، وتشكل خطرًا كبيرًا على السلامة بسبب موادها القابلة للاشتعال.
حل هذه المشكلات معروف منذ عقود: يطلق عليه اسم بطارية الحالة الصلبة، وهو يعتمد على فكرة بسيطة مخادعة. فبدلاً من إلكتروليت سائل تقليدي – المادة التي تنقل أيونات الليثيوم بين الأقطاب – تستخدم مادة إلكتروليت صلبة. أيضًا، الطرف السالب للبطارية، المسمى بالقطب الموجب، مصنوع من معدن الليثيوم النقي. هذا المزيج من شأنه أن يرسل كثافة طاقته عبر السقف، ويمكّن من الشحن فائق السرعة، ويقضي على مخاطر حرائق البطارية.
ولكن على مدار الأربعين عامًا الماضية، لم يتمكن أحد من صنع بطارية صلبة تفي بهذا الوعد، حتى وقت سابق من هذا العام، عندما ادعت شركة ناشئة سرية تدعى ” QuantumScape”.

كشف ” جاغديب سينغ” المؤسس والرئيس التنفيذي لشركة ” QuantumScape” أمس الثلاثاء، وللمرة الأولى،علنًا عن نتائج اختبار بطارية الشركة ذات الحالة الصلبة. يقول “سينغ”: “إن البطارية حلت جميع التحديات الأساسية التي ابتليت بها بطاريات الحالة الصلبة في الماضي، مثل الأعمار القصيرة للغاية ومعدل الشحن البطيء. وفقًا لبيانات QuantumScape، يمكن لخليتها أن تشحن إلى 80 بالمائة من السعة في 15 دقيقة، وتحتفظ بأكثر من 80 بالمائة من سعتها بعد 800 دورة شحن، وهي غير قابلة للاحتراق، ولديها كثافة طاقة حجمية تزيد عن 1000 وات/ ساعة لكل لتر على مستوى الخلية، وهو ما يقرب من ضعف كثافة الطاقة لخلايا الليثيوم أيون التجارية”.
تدور خلية بطارية ” QuantumScape” حول حجم وسمك بطاقة اللعب. يتكون الكاثود الخاص بها أو الطرف الموجب، من أكسيد الكوبالت والنيكل والمنغنيز، أو NMC، وهي مادة كيميائية شائعة في بطاريات السيارات الكهربائية اليوم. قطبها السالب أو الأنود، مصنوع من معدن الليثيوم النقي – ولكن من الأدق القول إنه لا يحتوي على قطب موجب على الإطلاق، لأنه مصنوع بدون أنود. عندما يتم تفريغ شحن البطارية أثناء الاستخدام، يتدفق كل الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب. يتم ضغط الفراغ المتبقي على جانب الأنود – أرق من شعر الإنسان – مؤقتًا مثل الأكورديون. تنعكس العملية عندما يتم شحن البطارية، وتتدفق أيونات الليثيوم في مساحة الأنود مرة أخرى.
إن المفتاح لاختراق الحالة الصلبة لبطاريات شركة ” QuantumScape” هو الفاصل الخزفي المرن الذي يقع بين الكاثود والأنود. هذه هي المادة التي تضع “الصلب” في الحالة الصلبة. مثل السائل المنحل بالكهرباء الذي يوضع بين الأقطاب الكهربائية في خلية تقليدية، تتمثل وظيفته الرئيسية في نقل أيونات الليثيوم من طرف إلى آخر عند شحن البطارية وتفريغها.
الفرق هو أن الفاصل الصلب يعمل أيضًا كحاجز يحافظ على تشعبات الليثيوم – المحلاق المعدنية التي تتشكل على أنودات معدن الليثيوم أثناء دورات الشحن – من الالتفاف بين الأقطاب الكهربائية والتسبب في حدوث ماس كهربائي.
تعد بطاريات الليثيوم أيون أنظمة معقدة، والسبب في تحسنها البطيء على مر السنين هو أن التغيير والتبديل في جزء واحد من الخلية غالبًا ما يكون له تأثيرات متتالية تغير من أدائها بطرق غير متوقعة. لبناء بطارية أفضل، يتعين على الباحثين أن يفحصوا المواد المختلفة بشكل منهجي حتى يعثروا على شيء يعمل، والذي يمكن أن يكون مهمة تستغرق وقتًا طويلاً بشكل لا يصدق.
يقول “سينغ”: “إن الأمر استغرق 10 سنوات من QuantumScape و 300 مليون دولار في البحث والتطوير قبل أن تطلب الشركة فاصل الحالة الصلبة”.
ولم يكشف “سينغ” عن مكونات البطارية الجديدة، فهي الخلطة السرية للشركة، لكنه يقول إن المواد رخيصة ومتوفرة بسهولة.
ويشير “سينغ” إلى إن بطارية QuantumScape هي نوع من التغيير التدريجي في الأداء الذي سيدفع المركبات الكهربائية إلى الاتجاه السائد.
يعد “بيل جيتس” و”فينود خوسلا” من بين مستثمري شركة ” QuantumScape”، إلى جانب العديد من أباطرة البطاريات. كما تعد شركة ” فولكس فاجن” واحدة من أكبر الداعمين لشركة ” QuantumScape”؛ حيث استثمرت أكثر من 300 مليون دولار في وتخطط للبدء في استخدام خلايا الحالة الصلبة في بعض المركبات الكهربائية الخاصة بها بحلول عام 2025.
لا تعد ” QuantumScape” و “فولكس فاجن” الشركتين الوحيدتين في لعبة بطارية الحالة الصلبة بالطبع. تعمل شركة “تويوتا” أيضًا على تطوير خلية الحالة الصلبة، والتي خطط مسؤولو الشركة للكشف عنها في أولمبياد طوكيو هذا العام قبل أن يتم تأجيلها بسبب جائحة فيروس كورونا.

على صعيدًا متصل، قامت شركة ناشئة تبلغ من العمر ست سنوات تسمى “Solid Power ” بصنع خلية صلبة عاملة وبدأت في إنتاج بطاريات نموذجية من 10 طبقات مكدسة في مصنع تجريبي في كولورادو. مثل ” QuantumScape”، تحتوي هذه الخلايا على أنود من معدن الليثيوم وإلكتروليت خزفي صلب. المنحل بالكهرباء في شركة ” Solid Power” عبارة عن كيمياء قائمة على الكبريتيد، وهي مادة كيميائية مرغوبة لبطاريات الحالة الصلبة بسبب الموصلية العالية والتوافق مع عمليات التصنيع الحالية.
لدى الشركة شراكات مع عدد من مصنعي السيارات، بما في ذلك “فورد” و ” BMW ” و “هيونداي”، على الرغم من أن المديرين التنفيذيين لا يتوقعون رؤية خلاياهم على الطريق قبل عام 2026، بسبب عملية تأهيل السيارات الطويلة.
ولم تصدر شركة ” Solid Power” بيانات عن خليتها بعد، لكن من المتوقع أن تكشف الشركة عن خلية أكبر وتنشر بيانات أدائها لأول مرة هذا الخميس.
يقول “دوج كامبل”؛ الرئيس التنفيذي لشركة ” Solid Power”: “أصبح المشهد التنافسي لبطاريات الحالة الصلبة مزدحمًا بشكل متزايد بسبب الإمكانات الهائلة التي تمتلكها بطاريات الحالة الصلبة في تمكين كهربة السيارة. هذا يؤدي في النهاية إلى سيارات كهربائية ذات نطاق أكبر وموثوقية أكبر وتكلفة أقل.”
جدير بالذكر أن بيانات أداء ” QuantumScape” مثيرة للإعجاب، لكنها تأتي مع تحذير مهم. تم إنشاء جميع بيانات الاختبار في خلايا فردية، من الناحية الفنية ، ليست بطاريات كاملة. الخلية الرقيقة التي كشف عنها ” QuantumScape” مقدر لها أن تتكدس مع حوالي 100 خلية أخرى لتشكيل خلية كاملة بحجم مجموعة أوراق اللعب. سيتطلب تشغيل المئات من تلك البطاريات المكدسة، ولكن حتى الآن لم تختبر الشركة خلية مكدسة بالكامل.
لذلك، يجب التحكم في العيوب بدلًا من استنزاف أداء البطارية بسرعة، فعلى الرغم من أن المادة قد تبدو واعدة حقًا على النطاق الصغير، إلا أن هذه العيوب قد تصبح مشكلة أكبر في نطاق التوسع.

اقرأ أيضًا:

هل تتعارض سيارتك الكهربائية مع كهرباء منزلك؟ إليك الحل

الكاتب : Sara Tarek
الموقع :www.tech-mag.net
نشر الخبر اول مرة بتاريخ : 2020-12-10 09:00:14

رابط الخبر
ادارة الموقع لا تتبنى وجهة نظر الكاتب او الخبر المنشور بل يقع على عاتق الناشر الاصلي