بطاريات الصوديوم من الجيل التالي تنافس تقنية الليثيوم أيون

كشف فريق من المهندسين المبتكرين من كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو النقاب عن تحسين جديد لبطاريات الصوديوم ذات الحالة الصلبة، يُحسّن الأداء والاستقرار. الدراسة¹ يمثل هذا قفزة نوعية في التكنولوجيا، ويتوقع الكثيرون أن يُسهم في تلبية الطلب المتزايد على بطاريات الليثيوم أيون. إليك ما تحتاج لمعرفته.

البطاريات السائلة مقابل البطاريات الصلبة

يواصل المهندسون تطوير تصاميم بطاريات أكثر تطورًا، سعيًا منهم لتوفير كثافة طاقة واستقرار أكبر. حاليًا، تُعدّ بطاريات الليثيوم أيون المعيار الصناعي. تعتمد مصادر الطاقة هذه على إلكتروليت قائم على أيونات الليثيوم. من الشائع وجود هذه البطاريات في الأجهزة اليومية، مثل الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية وأجهزة الكمبيوتر الشخصية.

أثبت هذا التصميم فعاليته، إلا أن له عيوبًا عديدة. أولًا، إلكتروليت أيون الليثيوم متطاير وسريع التفاعل الحراري. تعتمد هذه البطاريات على خلايا معرضة لارتفاع درجة الحرارة، أو الاشتعال، أو الانفجار. إضافةً إلى ذلك، يعتمد تصميمها على خلايا متراصة بإحكام، مما يعني أنه في حال ارتفاع درجة حرارة إحداها، فمن المرجح أن تتبعها الخلايا المحيطة، مما يؤدي إلى ظاهرة تُعرف باسم "الهروب الحراري".

المصدر - تيكورون

بطاريات الحالة الصلبة بالكامل (ASSBs)

تستبدل بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة الإلكتروليت السائل بمادة صلبة، بما في ذلك LiPON وThio-LISICON وLATP وغيرها. يوفر هذا الهيكل مزايا مهمة، منها استقرار حراري أفضل، ونقل أيونات الليثيوم، وكثافة طاقة أعلى.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيع بطاريات الحالة الصلبة لتكون أصغر حجمًا وأخف وزنًا، مما يجعلها مثالية للتقنيات المتقدمة مثل الطائرات بدون طيار والروبوتات. ومن المثير للاهتمام أن هذه البطاريات تُشحن أسرع وتوفر دورات حياة أطول من سابقاتها. ومع ذلك، تواجه بطاريات الحالة الصلبة القائمة على أيونات الليثيوم عدة مشاكل أيضًا.

عيوب بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة

أحد المخاوف الرئيسية بشأن تصميمات بطاريات الليثيوم أيون هو أنها لا تزال تستخدم مكونات قابلة للاشتعال، والتي قد تتفاعل بشدة مع الأكسجين في ظروف معينة. انفجار بطارية على دراجة بخارية أمر مأساوي، لكن اشتعالها على متن طائرة تعمل بالبطارية في المستقبل سيكون كارثيًا.

بالإضافة إلى ذلك، مع أن الليثيوم ليس من المعادن النادرة (فهو معدن قلوي)، إلا أن سلسلة توريده مركزة، وقدرة تكريره محدودة. هذه الاختناقات، إلى جانب تكاليف الاستخراج والجداول الزمنية للتصاريح، تُبقي الأسعار متقلبة والإمدادات محدودة.

بدائل الصوديوم

مرر للتمرير →

دفعت هذه القضايا المهندسين إلى البحث عن بدائل لبطاريات الليثيوم أيون. ومن الخيارات التي لاقت رواجًا كبيرًا الصوديوم. فتركيبات الصوديوم الكيميائية - وخاصةً مع الإلكتروليتات الصلبة غير القابلة للاشتعال - تُقلل بشكل ملحوظ من خطر الانفلات الحراري مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية، مما يُحسّن السلامة العامة. إضافةً إلى ذلك، فإن الصوديوم ليس نادرًا، فوفرته تعني انخفاض التكاليف وخيارات مصادر أكثر.

تُشحن بطاريات الصوديوم أسرع من بطاريات الليثيوم أيون، وتُقدم أداءً ممتازًا في درجات الحرارة الباردة. كما أن الصوديوم أكثر أمانًا على البيئة من إلكتروليت بطاريات الليثيوم أيون، والذي قد يتسرب إلى الأرض من مكبات النفايات والنفايات الإلكترونية الأخرى. للأسف، يستمر مستوى النفايات الإلكترونية، أي الأجهزة الإلكترونية المهملة، في الارتفاع، مع التقارير وتوقع الباحثون أن يدخل 60 مليون طن من النفايات إلى مكبات النفايات في عام 2025 وحده.

مشاكل بطاريات الصوديوم اليوم

على الرغم من مزاياها، تواجه هذه البطاريات عدة قيود تُعيق استخدامها. أولًا، كثافة طاقتها منخفضة، ما يعني ضرورة أن تكون أكبر حجمًا وأثقل وزنًا من بطاريات الليثيوم أيون. كما أن أداءها في درجة حرارة الغرفة أقل بكثير من أداء بطاريات الليثيوم أيون. إدراكًا لهذه القيود، اجتمع فريق من المهندسين لعرض تصميم مُحسّن لبطارية الصوديوم يُعالج هذه المشكلات، ويُوفر طاقة تُضاهي بطاريات الليثيوم أيون.

دراسة تحسينات بطاريات الصوديوم

الدراسة، بورات كلوزوهيدريد الصوديوم غير المستقرة لجميع البطاريات الصلبة ذات الكاثودات السميكةيقدم البحث المنشور في مجلة Joule طريقة جديدة لإنشاء بطارية صوديوم الحالة الصلبة التي يمكنها توفير أداء مماثل لخيارات Li-ion المتطورة في مجموعة متنوعة من درجات الحرارة.
مرر للتمرير →

هيدريدوبورات الصوديوم

أجرى الفريق بحثًا عن خيارات الصوديوم قبل أن يتوصل إلى أن هيدرويدوبورات الصوديوم سيوفر القدرة على إنشاء بنية شبه مستقرة قادرة على دعم التوصيل الأيوني العالي. بدأ الفريق بجمع البيانات الحسابية والتجريبية، ثم اختبارها، لضمان عدم استقرار هيدرويدوبورات الصوديوم في مختلف الظروف.

استخدم المهندسون طريقة شائعة لتسخين شكل شبه مستقر من هيدروبورات الصوديوم، وتحويله إلى شكل بلوري. وفي إطار هذا النهج، الذي لم يُستخدم قط في تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة قبل الدراسة، يجب تبريد البلورة بسرعة بعد تشكلها لضمان استقرارها. وتحديدًا، تُثبّت هذه الاستراتيجية الطور المعيني القائم حركيًا مع حركة سريعة لأيونات الصوديوم.

الكاثود من نوع O3

من أهم أسباب اختيار هيدرودوبورات الصوديوم هو إمكانية استخدام كاثودات سميكة. بتكبير الكاثود، تمكنت البطارية من الحفاظ على أعلى أداء. ويتم ذلك بإزالة المواد الخاملة، مما يُحسّن كثافة الطاقة. والجدير بالذكر أن الكاثود مُغطى بإلكتروليت صلب قائم على الكلوريد، مما يوفر ثباتًا إضافيًا.

اختبار تعزيز بطارية الصوديوم

أجرى الفريق العديد من الاختبارات والمحاكاة الديناميكية لإثبات نظريتهم. وخلصوا إلى أن عوامل رئيسية، مثل ميل الأنيونات إلى الحركة، تُعدّ عنصرًا أساسيًا في أيون الصوديوم عالي الحركة. كما وثّقوا كيف وفرت هذه العملية موصلية عالية عبر نطاق واسع من درجات الحرارة.

نتائج اختبارات تعزيز بطارية الصوديوم

كشفت نتائج اختبار المهندسين عن تفاصيل جوهرية حول قدرات بطارياتهم. فقد أظهرت كيف يوفر طور Na3(B12H12)(BH4) المعيني القائم المستقر حركيًا موصلية تتوافق مع خيارات أيونات الليثيوم. كما أظهرت قدرة الكاثودات المركبة السميكة عالية المساحة على العمل بسلاسة في درجات حرارة تحت الصفر.

فوائد دراسة تحسينات بطاريات الصوديوم

تُقدم هذه الدراسة فوائد عديدة للسوق. من بينها أنها تُعمق فهم العلماء للإلكتروليتات الصلبة القائمة على الهيدريدوبورات، مما يفتح الباب أمام المزيد من الابتكارات. والجدير بالذكر أن الفريق استخدم تقنيات راسخة واستراتيجيات تصميم عملية، مما يجعل عملهم قابلاً للتطبيق بشكل كبير في السوق في وضعه الحالي.

تتميز بطاريات الصوديوم بموصلية أيونية عالية، ومتانة، وثبات. وهي غير قابلة للاشتعال، ولن تنفجر في حال تمزقها مثل بطاريات الليثيوم أيون السابقة. بالإضافة إلى ذلك، يُقلل التصميم الجديد من وزن وحجم هذه البطاريات، مما يجعل كثافة طاقتها متوافقة مع الخيارات المتاحة.

وفرة

الصوديوم أسهل الحصول عليه بكثير من الليثيوم. فهو مادة متوفرة بكثرة وبأسعار معقولة أيضًا. وبالتالي، قد تفتح هذه البطاريات الباب أمام تطوير سيارات كهربائية وهواتف ذكية وأجهزة تقنية متطورة أخرى بأسعار أقل بكثير. على أقل تقدير، توفر هذه التقنية بديلاً محتملاً في حال قررت إحدى الدول منع تصدير معادن أرضية نادرة حيوية مثل الليثيوم.

الاستخدامات الواقعية والجدول الزمني لـ ASSBs الصوديوم

لبطاريات الصوديوم تطبيقاتٌ عديدة. وقد تُوفّر يومًا ما بديلًا اقتصاديًا للتطبيقات التي تتطلب جهدًا عاليًا. إضافةً إلى ذلك، تُجرى حاليًا أبحاثٌ على هذه البطاريات كبدائل لبطاريات الليثيوم أيون باهظة الثمن والضخمة المستخدمة في السيارات الكهربائية الحالية. في المستقبل، ستتوسّع هذه التقنية لتشمل جميع القطاعات الإلكترونية تقريبًا، موفّرةً بديلًا موثوقًا وآمنًا للوضع الراهن.

متى من الممكن أن يصل هذا المنتج إلى السوق؟

قد نرى بدائل لبطاريات الصوديوم خلال السنوات الخمس المقبلة. تفتح هذه الدراسة الباب أمام المزيد من اعتماد هذه التقنية، كما أن استخدام التقنيات المُعتمدة يعني أن مصانع الجيجا الضخمة الحالية قادرة على إنتاج كلا النوعين من البطاريات بأقل قدر من التعديلات.

باحثون في دراسة تحسينات بطاريات الصوديوم

استضافت كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو دراسة "تحسينات الصوديوم". وقد قدّمها فريق من أساتذة عائلة ليو، مما يدل على ريادتهم في مجالاتهم.

وتذكر الورقة البحثية على وجه التحديد كل من Shyue Ping Ong، وYing Shirley Meng، وJin An Sam Oh، وZihan Yu، وChen-Jui Huang، وPhillip Ridley، وAlex Liu، وTianren Zhang، وBing Joe Hwang، وKent J. Griffith كمساهمين في الدراسة.

دراسة مستقبل تحسينات بطاريات الصوديوم

يبدو مستقبل هذه التقنية واعدًا لأسباب عديدة. أولها أن التثبيت الحركي لإطار أنيوني مُناسب للانتشار يُطبّق على العديد من مركبات الهيدريدوبورات وكيمياء تجمعات الأنيونات الأخرى ذات الصلة. لذا، سيواصل الفريق البحث عن مواد وخيارات أخرى، سعيًا لاكتشاف المزيد من الأداء.

الاستثمار في تصنيع البطاريات

يُعد قطاع البطاريات اقتصادًا متسارع النمو، وقد شهد نموًا ملحوظًا خلال العقد الماضي. فالعالم اليوم متنقل، والبطاريات هي مصدر الطاقة الرئيسي فيه. ولذلك، سيطرت العديد من الشركات المصنعة على السوق. وإليكم شركة واحدة لا تزال رائدة في هذا المجال.

مايكروفاست 

دخلت شركة مايكروفاست السوق عام ٢٠٠٦. يقع مقرها الرئيسي في تكساس، وتدير عمليات تصنيع في هوتشو، الصين. مؤسسها، يانغ وو، خريج جامعة ستانفورد، تصوّر الشركة كمزود رائد لبطاريات الليثيوم أيون المتقدمة لسوق السيارات الكهربائية الناشئة.

وكجزء من هذه الاستراتيجية، كانت الشركة رائدة في العديد من التقنيات الجديدة، بما في ذلك نظام شحن فائق السرعة يُطلق عليه اسم MpCO Battery Technology في عام 2017. وشهدت شركة Microvast نموًا كبيرًا منذ إطلاقها، وهي الآن تدير العديد من المرافق على مستوى العالم، بما في ذلك العمليات في ألمانيا وتينيسي والصين.

هذا العام، كشفت الشركة عن تقنية بطاريات الحالة الصلبة الحقيقية بالكامل، والتي ارتقت بالأداء إلى مستويات جديدة. على الراغبين في التعاون مع شركة بطاريات راسخة ذات شراكات استراتيجية رفيعة المستوى وسمعة طيبة، إجراء المزيد من البحث حول أسهم مايكروفاست.

أحدث أخبار وأداء سهم MVST (MVST)

دراسة تحسينات بطاريات الصوديوم | الخاتمة

قد تفتح هذه التحسينات في بطاريات الصوديوم آفاقًا لمستقبل أكثر أمانًا لملايين البشر. لقد تسبب اعتماد العالم على بطاريات الليثيوم في تلوث وأضرار ومخاطر صحية، بل وحتى توترات عسكرية على مستوى العالم. تُسهم بطاريات الصوديوم في التخفيف من هذه المشاكل وتمهد الطريق لمستقبل أكثر أمانًا، حيث تُصبح الطاقة المحمولة الرخيصة هي السائدة.

تعرف على المزيد حول الاكتشافات الأخرى في مجال الطاقة الباردة هنا

مراجع حسابات

^{١. "هيدريديبورات كلوزو-صوديوم شبه مستقرة لبطاريات الحالة الصلبة ذات الكاثودات السميكة"، أوه وآخرون، جول، ١٦ سبتمبر ٢٠٢٥. DOI: 10.1016 / j.joule.2025.102130}