بطاريات الحالة الصلبة: متى تصبح "البدائل" "الدعائم الأساسية"؟

بطاريات الحالة الصلبةتظهر هذه البطاريات كمصدر للطاقة من الجيل التالي، ولكن من المرجح أن يتم تسويق البطاريات الصلبة والسائلة الهجينة أولاً وأن تعمل كجسر حاسم بين خلايا أيونات الليثيوم السائلة الحالية وأنظمة الحالة الصلبة بالكامل في المستقبل.

ما هي بطاريات الحالة الصلبة

تحل بطاريات الحالة الصلبة محل الإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال بمواد صلبة مع توفير كثافة طاقة أعلى وأداء أفضل للسلامة. يمكن أن تستخدم كاثوداتها مواد عالية الطاقة مثل المركبات القائمة على المنغنيز الغنية بالليثيوم، في حين يمكن للأنود أن يجمع بين السيليكون النانوي والجرافيت لدفع كثافة الطاقة نحو 300-450 واط ساعة/كجم.

يحمل المنحل بالكهرباء الصلب أيونات الليثيوم دون خطر التسرب ويقلل بشكل كبير من احتمال الانفلات الحراري.

تمنح الأنودات ذات السعة العالية والكاثودات عالية الجهد بطاريات الحالة الصلبة إمكانية تحقيق نطاق قيادة أطول في السيارات الكهربائية وتحسين القدرة على التحمل في الطائرات بدون طيار أو أنظمة تخزين الطاقة.

الهجين الصلب والسائل كمرحلة انتقالية

تميز المقالة بين بطاريات الليثيوم السائلة، والهجينة الصلبة والسائلة، وبطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل، مع التركيز على أن التصميمات الهجينة هي مرحلة انتقالية أساسية. وتندرج البطاريات شبه الصلبة وشبه الصلبة و"الصلبة" الموجودة في السوق ضمن هذه الفئة الهجينة إلى حد كبير، وتختلف فقط في نسبة السائل إلى الإلكتروليت الصلب.

لا تزال البطاريات الصلبة والسائلة الهجينة تحتوي على بعض الإلكتروليت السائل، مما يحسن الاتصال بالمواد النشطة ويسهل عملية التصنيع.

تحتوي جميع بطاريات الحالة الصلبة على إلكتروليت صلب فقط، مما يوفر أمانًا جوهريًا أفضل وكثافة طاقة نظرية أعلى ولكنها تواجه تحديات هندسية أكثر خطورة اليوم.

العوائق التقنية أمام الحالة الصلبة الكاملة

على الرغم من أن العديد من الشركات ومعاهد الأبحاث في جميع أنحاء العالم تستثمر في تكنولوجيا الحالة الصلبة، إلا أنه لا توجد خلية طاقة ذات حالة صلبة ذات سعة كبيرة تضاهي حتى الآن بطاريات أيونات الليثيوم السائلة من حيث الأداء والتكلفة. تكمن الصعوبة الأساسية في السطح البيني بين الصلب والصلب، حيث تجعل مواد الإلكتروليت الصلبة من الصعب الحفاظ على اتصال حميم مع الأقطاب الكهربائية أثناء ركوب الدراجات وتغييرات الحجم.

وتشمل الطرق الحالية بطاريات البوليمر، والأغشية الرقيقة، والكبريتيد، والأكسيد الصلبة، ولكل منها مزايا وقيود مميزة.

على سبيل المثال، تواجه خلايا البوليمر ذات الحالة الصلبة صعوبات في درجة حرارة الغرفة ومع الكاثودات ذات الجهد العالي، في حين أن أنظمة الكبريتيد حساسة للهواء وتتطلب ظروف تصنيع صعبة.

استراتيجية الترسيخ في الموقع

للتغلب على مشكلات الواجهة مع الاستفادة من البنية التحتية الحالية لأيون الليثيوم، يقترح الباحثون نهجًا للتصلب في الموقع للإلكتروليتات الصلبة والسائلة الهجينة. أثناء تجميع الخلية، يضمن السلائف السائلة ترطيبًا وتلامسًا جيدًا؛ وفي وقت لاحق، تقوم التفاعلات الكيميائية أو الكهروكيميائية بتحويل كل أو جزء من هذا السائل إلى إلكتروليت صلب داخل الخلية.

تعمل هذه الطريقة على تحسين الاتصال بين القطب والكهارل، وتمنع نمو تشعبات الليثيوم، وتوازن بين السلامة والجهد العالي وأداء الشحن السريع.

ويمكنه أيضًا إعادة استخدام جزء كبير من عملية إنتاج أيون الليثيوم السائل الحالية، مما يساعد الشركات المصنعة على التوسع بسرعة أكبر وخفض التكاليف.

اتجاهات التطوير المستقبلية

يتوقع الخبراء أن تحتاج بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل إلى ما يقرب من خمس سنوات أخرى قبل أن يتم تسويقها تجاريًا على نطاق واسع، لذلك تظل بطاريات الطاقة الصلبة والسائلة الهجينة مسارًا واقعيًا على المدى القريب. لتسريع التصنيع، يسلط المقال الضوء على الحاجة إلى تقدم منسق في المواد وتصميم الخلايا والتصنيع والمعايير.

وتشمل الأولويات: تطوير إلكتروليتات صلبة ذات موصلية أيونية متوازنة، واستقرار، وقابلية للمعالجة؛ مطابقة الأقطاب الكهربائية عالية الطاقة مثل الكاثودات عالية النيكل وأنودات السيليكون والكربون أو معدن الليثيوم؛ ودمج المحاكاة الرقمية مع التصنيع الذكي.

يتم تشجيع الصناعة على بناء سلاسل توريد قوية للمواد الرئيسية، والاستثمار في المعدات الآلية، وتحسين أنظمة الاختبار والتقييم، والتطور تدريجياً من الهجين الصلب والسائل بطاريات الليثيوم أيوننحو بطاريات معدن الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل.