بطاريات الصوديوم ذات الحالة الصلبة الخالية من الأنود يمكن أن تقلل الاعتماد على "مثلث الليثيوم"

الطرق العديدة لصنع البطارية

يبتكر صانعو البطاريات باستمرار في سباق لتحقيق أفضل التقنيات. وفي السنوات الأخيرة، كان الدافع وراء ذلك هو الحافز للاستحواذ على سوق السيارات الكهربائية المتنامية باستمرار وسوق البطاريات على نطاق المرافق الناشئة ولكن الأسرع نموًا.

بمجرد أن يتم تصنيع البطاريات باستخدام تقنية الليثيوم أيون، فإنها تتطلع إلى ما هو أبعد من هذا التصميم لحل مشكلات Li-ion: باهظة الثمن، واستخدام معادن نادرة، ومخاطر الحريق، وما إلى ذلك.

المصدر بوابة البحث

أحد هذه البدائل هو أيون الصوديوم، الذي يستخدم الصوديوم بدلاً من الليثيوم على حساب كثافة طاقة أقل.

البديل الآخر هو بطاريات الحالة الصلبة. ومن خلال إزالة الحاجة إلى الإلكتروليتات، يمكن أن تصبح أكثر كثافة، وبالتالي تتطلب كمية أقل منها للحصول على نفس أداء السيارة الكهربائية. وينبغي أيضًا أن تكون بطاريات الحالة الصلبة أسرع في الشحن.

ولا تؤدي الأساليب الأخرى الأكثر جرأة إلى تغيير الكيمياء فحسب، بل تغير أيضًا بنية البطارية نفسها. والجدير بالذكر أن البطاريات الخالية من الأنود تزيل جزءًا من البطارية بالكامل.

ويتطلع الباحثون الآن إلى الجمع بين هذه الأساليب معًا، ولا سيما مع النشر الأخير لتصميم أول بطارية صوديوم صلبة خالية من الأنود في العالم.

بطارية الصوديوم ذات الحالة الصلبة الخالية من الأنود

نشرت في مجلة طاقة الطبيعة تحت عنوان ”مبادئ التصميم لتمكين بطارية الحالة الصلبة الخالية من الصوديوم"، لم يقم الباحثون من جامعة كاليفورنيا وجامعة شيكاغو بإنشاء بطارية صلبة فحسب، بل بطارية تستخدم الصوديوم بدلاً من الليثيوم، وبدون حتى أنود.

بطارية الصوديوم

الصوديوم أيونٌ وفيرٌ جدًا، بكمياتٍ تكاد تكون غير محدودة في المحيط، وهو أكثر وفرةً في قشرة الأرض بألف مرة من الليثيوم. وهذا يجعله بديلًا ممتازًا لليثيوم.

هذا مهم لأن الليثيوم يواجه العديد من القيود بسبب طفرة السيارات الكهربائية:

• إنها مكلفة للغاية، مما يجعل الكهرباء في حد ذاتها باهظة الثمن.
• استخراجه مضر بالبيئة.
• يتم إنتاجه فقط في أماكن قليلة في العالم ويتم تكريره في الغالب في الصين، مما يسبب مخاطر جيوسياسية.

نظرًا لوجوده في كل مكان ووفرته، فمن غير المرجح أن يعاني الصوديوم من عدم استقرار الأسعار والنقص الذي شهده الليثيوم في السنوات الأخيرة.

تكمن المشكلة في أن بطاريات الصوديوم ليست في العادة كثيفة بما يكفي للتنافس مع البطاريات المعتمدة على الليثيوم، باستثناء نماذج السيارات الكهربائية منخفضة السعر.

بطارية خالية من الأنود

عادةً، تحتوي البطارية على أنود يقوم بتخزين الأيونات أثناء شحن البطارية. ثم تتدفق عائدة نحو الكاثود عندما تطلق البطارية طاقتها.

بدلاً من ذلك، تقوم البطاريات الخالية من الأنود بتخزين الأيونات في رواسب كهروكيميائية من معدن قلوي مباشرة على المجمع الحالي.

وهذا يسمح بجهد أعلى للخلية، وانخفاض تكلفة الخلية، وزيادة كثافة الطاقة.

المصدر جامعة شيكاغو

المشكلة في التصميم الخالي من الأنود هي أن المجمع الحالي يميل إلى رؤية تراكم الرواسب من المنحل بالكهرباء السائل، مما يؤدي إلى إتلاف البطارية.

بطارية صلبة

كان من المتوقع منذ فترة طويلة أن تكون بطاريات الحالة الصلبة هي الشكل "النهائي" لتخزين الطاقة المعتمد على البطاريات، خاصة بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب حركة عالية الكثافة.

تؤدي إزالة الإلكتروليت إلى تقليل الوزن الإجمالي للبطارية وتجعل شحن البطارية وتفريغها سريعًا للغاية.

عادة ما تكون المشكلة في هذه التصميمات هي القدرة على الحصول على نظام قوي بما فيه الكفاية، حيث تميل المعادن إلى الانتفاخ عند الشحن.

بالإضافة إلى ذلك، فإن مسألة نمو التشعبات التي يمكن أن تخلق طرقًا مختصرة (وبالتالي نشوب حريق) تلوح في الأفق دائمًا في الخلفية، كما هو الحال مع بطاريات الليثيوم أيون.

الحالة الصلبة الخالية من الصوديوم

في سياق التصميم الخالي من الأنود، هناك مشكلة إضافية تتمثل في أن المنحل بالكهرباء الصلب الكلاسيكي لا يمكنه التفاعل بشكل صحيح مع المجمع الحالي.

وقد حل الباحثون هذه المشكلة باستخدام مسحوق الألومنيوم كمجمع للتيار، وهو مادة صلبة يمكن أن تتدفق مثل السائل.

المصدر جامعة شيكاغو

العديد من الفوائد

من خلال كونه صلبًا، يمنع إلكتروليت الألومنيوم أيضًا تكوين التشعبات، وهو السبب الرئيسي لقصر عمر بطاريات الحالة الصلبة.

كما أنه يوفر واجهة مستقرة ويتجنب رؤية بعض الصوديوم الذي يتعذر الوصول إليه بالتيار مما قد يقلل من سعة البطارية.

وأخيرًا، فهي تسمح بكثافة طاقة عالية، مع خيارات مختلفة لبطارية الصوديوم ذات الحالة الصلبة التي تتراوح جميعها بكثافة 200-400 وات ساعة/كجم.

المصدر جامعة شيكاغو

وفي حين أن هذا أقل قليلاً من بطاريات الحالة الصلبة المعتمدة على الليثيوم، إلا أنه لا يزال أقوى بكثير من البطاريات المستخدمة حاليًا. وإذا جمعنا هذا مع اقتصاديات المواد الأرخص كثيراً، مع حلول الصوديوم والألومنيوم محل الليثيوم والكوبالت والنيكل، فقد يكون المزيج الفائز.

قوة الجمع

وحتى قبل سنوات قليلة، لم تكن فكرة بطاريات الصوديوم، أو البطاريات الخالية من الأنود، سوى مفهوم شكك الكثيرون في وصوله إلى مرحلة تجارية. ويمكن قول الشيء نفسه عن بطاريات الحالة الصلبة.

وهذا يتغير بسرعة لكل فئة من هذه الفئات، بالإضافة إلى الكثير من الكيميائيات والتصاميم المحتملة الأخرى التي استكشفناها في مقالاتنا "مستقبل تخزين الطاقة – تقنية البطاريات ذات النطاق الخدمي"و"مستقبل التنقل – تكنولوجيا البطاريات".

يبدو أننا ندخل مرحلة جديدة، حيث يبحث الباحثون الآن في كل مفاهيم البطاريات التي أثبتت جدواها الآن ويبدأون في دمجها معًا.

ومن المثير للدهشة أنه قد يساعد في التغلب على القيود الفردية لكل فكرة.

في هذا المثال، يتم حل مشكلات التغصنات الخاصة ببطاريات الحالة الصلبة ومشكلة إيداع التصميم الخالي من الأنود في المجمع الحالي باستخدام مسحوق الألومنيوم.

مسحوق الألومنيوم وحده في التصميم الخالي من الأنود سيظل ينتج كثافة منخفضة للغاية.

لن يكون مسحوق الألومنيوم في بطاريات الحالة الصلبة رخيصًا بدرجة كافية دون استخدام الصوديوم.

وفي الوقت نفسه، يعتبر الصوديوم وحده رخيصًا ولكنه ليس كثيفًا بدرجة كافية لتلبية متطلبات التنقل.

لذا يبدو أن الجمع بين عناصر التصميم المختلفة يمكن أن يساعد في الجمع بين مزايا كل منها مع إزالة مشكلاتها الفردية أو على الأقل التخفيف منها، مما يخلق مجموعة أكبر بكثير من الفرص المستقبلية لكيمياء البطاريات المبتكرة مما كان يعتقد سابقًا.

شركات بطاريات الصوديوم

1. CATL

CATL هي الشركة الرائدة عالميًا في تصنيع البطاريات، حيث تنتج أكثر من نصف حجم البطارية عالميًا. الشركة حاضرة في كل خطوة من سلسلة توريد تصنيع البطاريات وهي رائدة في مجال تكنولوجيا البطاريات.

وينطبق هذا على بطاريات الليثيوم أيون، حيث كانت الشركة رائدة منذ فترة طويلة. أعلنت شركة CATL أيضًا عن إحراز تقدم مثير للإعجاب في العديد من أنواع البطاريات الأخرى:

• بطارية طويلة العمر ذات 12,000 دورة لتخزين الطاقة على نطاق المرافق، مع 18,000 دورة كهدف طويل المدى.
• بطارية LFP (فوسفات الليثيوم فيروم) بطول 700 كيلومتر تشحن نطاقًا يصل إلى 400 كيلومتر في 10 دقائق.
• 500 واط/كجم، مما قد يتيح كهربة طائرات الركاب.
• إنتاج كميات كبيرة من بطاريات أيون الصوديوم بقدرة 160 وات/كجم، بهدف الوصول إلى 200 وات/كجم.

المصدر CATL

تنشط الشركة في سوق البطاريات واسعة النطاق، مع الإعلان عن أداء نظام TENER الخاص بها. إنها "أول نظام تخزين طاقة قابل للإنتاج بكميات كبيرة في العالم بدون أي تدهور في السنوات الخمس الأولى من الاستخدام في بكين، الصين".

طاقة هائلة في مساحة صغيرة: حاوية بطول 20 قدمًا بقدرة 6.25 ميجاوات في الساعة

مدعومة بالتقنيات المتطورة وقدرات التصنيع الفائقة، تمكنت شركة CATL من حل التحديات التي تسببها معادن الليثيوم النشطة للغاية في البطاريات عديمة التحلل، مما يساعد بشكل فعال على منع الانفلات الحراري الناتج عن تفاعلات الأكسدة.

استثمرت CATL أيضًا 3.25 مليار دولار في قدرات إعادة تدوير البطاريات في الصين. حققت CATL بشكل ملحوظ معدل استرداد ملحوظًا قدره 99.6% للنيكل والكوبالت والمنغنيز و91% لليثيوم.

بفضل حجمها وتركيزها وإنجازاتها في مجال البحث والتطوير، من المرجح أن تكون CATL في طليعة ابتكارات البطاريات وتصنيعها وإعادة تدويرها. وهذا يجعلها شريكًا رئيسيًا لمصنعي المركبات الكهربائية، بما في ذلك Tesla وNIO وFord وStellantis وغيرها.

2. BYD

باعتبارها منافسًا طويل الأمد لشركة Tesla في سوق السيارات الكهربائية، أصبحت BYD منافسًا جديًا ليس فقط لشركة Tesla ولكن لجميع شركات صناعة السيارات تقريبًا.

تطورت الشركة منذ نشأتها كمورد لبطاريات الهاتف إلى بيع عدد كبير من السيارات الكهربائية يقارب ما تبيعه تسلا في الصين (أكبر سوق للسيارات الكهربائية في العالم) وكونها السيارة الكهربائية الأكثر مبيعًا في تايلاند والسويد وأستراليا ونيوزيلندا وسنغافورة وإسرائيل والبرازيل.

تُعدّ شركة BYD أحد الأسباب الرئيسية وراء تحوّل الصين المفاجئ إلى أكبر مُصدّر للسيارات في العالم عام ٢٠٢٣، متجاوزةً اليابان. كما يُعزى توسّع الشركة الخارجيّ الحثيث إلى مصانع جديدة. كما هو الحال في المجر.

ومع إطلاق سيارات تتراوح أسعارها بين 10,000 و12,000 دولار مثل Seagul، باستخدام بطاريات الصوديوم، قد يتم فتح سوق جديد بالكامل لسيارات BYD EVs.

المصدر: بواسطة User3204 - العمل الخاص، CC BY-SA 4.0، https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

لا تزال BYD في جوهرها، شركة مصنعة للبطاريات، منافسًا خطيرًا لشركة CATL في سوق بطاريات LFP، حيث تبلغ حصتها في السوق 41.1% في الصين (مقارنة بحصة CATL البالغة 33.9%).

من المرجح أن يقابل "طوفان" السيارات الكهربائية الرخيصة التي تنتجها شركة BYD في الأسواق الأوروبية والأمريكية بمستوى معين من الحماية (حتى فوق التعريفات الجمركية المفروضة مؤخرًا)، وهو ما قد يعيق نمو BYD.

ولكن في الوقت نفسه، حققت السيارات الكهربائية الصينية الرخيصة بالفعل نجاحًا كبيرًا في بقية أنحاء العالم، والتي ليس لديها الكثير من الشركات في طريق شركات صناعة السيارات المحلية لحمايتها، بما في ذلك أمريكا الجنوبية وروسيا وإفريقيا والشرق الأوسط بأكملها. ، وجنوب شرق آسيا.

ويمثل هذا عدة مليارات من العملاء المحتملين لشركة BYD، الذين يعيشون في بلدان حريصة على تحقيق توازن جيوسياسي والبقاء على علاقات جيدة مع كل من الغرب والصين، لذلك من غير المرجح أن يخلق حواجز حمائية قوية للغاية.

وحتى في الاتحاد الأوروبي أو الولايات المتحدة الأمريكية، قد تظل BYD قادرة على المنافسة، وذلك بفضل الأسعار الأعلى بكثير لمصنعي السيارات الكهربائية المحليين مقارنة بالأسعار في الصين، بالإضافة إلى توطين الإنتاج خارج الصين لهذه الأسواق، على سبيل المثال، في الصين. أوروبا الشرقية أو المكسيك أو تركيا.