احتمالية دولة صلبة البطاريات الخاصة بالطاقة في المستقبل التخزين

ومع تسارع الطلب العالمي على الطاقة والانتقال إلى مصادر متجددة، أصبحت الحاجة إلى نظم متطورة لتخزين الطاقة تحدياً ملحاً، بينما تواجه بطاريات ليثيوم -يون، التي يسودها اليوم، قيوداً أساسية في كثافة الطاقة والسلامة وتوافر المواد، وقد ظهرت بطاريات الكبريت ذات الكثافة الصلبة في الدول الصلبة كتوليد ثانوي يبشر بالتغلب على هذه القيود عن طريق الجمع بين الكبريت.

ما هي البطاريات السوفيتية الوليدة؟

وتختلف بطارية سلفيوم صلبة من بطاريات الليثيوم - الأسيون التقليدية من جانبين رئيسيين: مادة الاثود والكهرباء، وفي خلية عادية من الليون، تكون الفهد عادة أكسيداً معدنياً (مثل أكسيد الليثيوم الكبريتي)، كما أن مادة الكهروليت هي مذيب عضوي سائل يحتوي على أملاح الليثيوم الصلبة.

ويوفر هذا الكبريت قدرة نظرية محددة تبلغ 675 1 متراً مربعاً/غراماً، وهي أعلى بحوالي خمس مرات من قدرة الطرود التقليدية، وهذا يترجم مباشرة إلى كثافة طاقة أعلى، مما قد يتجاوز 500 كيلوغرام على مستوى الخلايا، مقارنة بحوالي 250-300 و/كغ بالنسبة لآخر خلايا ليونية صلبة، ويزيل الكهرباء الصلبة عنصر السائل القابل للاشتعال.

وأثناء التصريف، يُتأكسد معدن الليثيوم في الأنود، ويُطلق من الليثيوم التي تُهاجر عبر الكهروليت الصلب إلى كهف الكبريت، وفي الكاثود، يُخفض الكبريت إلى شكل بوليسولات الليثيوم (Li2Sx) وفي نهاية المطاف سلفيد الليثيوم الصلب (Li2S).

أهم الملاءمات على البطاريات التقليدية

ويرتكز وعد تكنولوجيا سلفيور الليثيوم الصلبة على عدة مزايا متميزة تعالج نقاط الألم الرئيسية في نظم البطاريات الحالية.

1- كثافة الطاقة العالية والطاقة المحددة

ونظرا لأن كثافة الطاقة النظرية تفوق تقريبا حجم خلايا ليون اليوم، فإن بطاريات لي - س ذات ولاية صلبة يمكن أن توسع بشكل كبير نطاق قيادة المركبات الكهربائية وأن تقلل من وزن الأجهزة الإلكترونية المحمولة، وأن كثافة الطاقة على مستوى الخلايا العملية التي تبلغ ٤٠٠ - ٦٠٠ و/كغ تعتبر قابلة للتحقيق على نطاق واسع، مقارنة بحجم يتراوح بين ٢٥٠ و ٣٠٠ و/كغ بالنسبة لأفضل خلايا وزن لي - ٥.

2 - السلامة الأساسية

والكهرباء الصلبة غير قابلة للاشتعال وغير قابلة للاشتعال، مما يزيل مخاطر الحريق والتفجير المرتبطة بالكهرباء السائلة، وهذه الميزة المتعلقة بالسلامة بالغة الأهمية بالنسبة للبطاريات الكبيرة المستخدمة في المركبات الكهربائية وتخزين الشبكات، حيث تسببت حوادث الممر الحراري في قلق كبير، كما يمكن أن تعمل خلايا السائل المحتوية على درجة حرارة أوسع دون خطر التجميد أو الغليان في المناخ، مما يؤدي إلى تحسين الموثوقية.

3 - مواد راو ذات نفوذ شديد وذوي الكبسولات المنخفضة

فالكبريت هو أحد أكثر العناصر وفرة على الأرض، وكثيرا ما ينتج كمنتج ثانوي لتكرير النفط، وتكلفة هذا الإنتاج أقل من الكوبالت والنيكل والليثيوم المستخدم في الطرود التقليدية، وفي حين أن الكهرباء الصلبة كثيرا ما تتطلب الليثيوم، فإن العديد من المواد الكهروليتية الواعدة (مثل تركيبة الكبريتيدات مثل السائلة السائلة السائلة السائلة السائلة السائلة السائلة السائلة السائلة) (LB5Cl) قد تقل عن السائلة (Loxideram)

4- الأثر البيئي

إن تعدين وتجهيز الكوبالت والنيكل لهما آثار بيئية وبشرية موثقة جيدا، وباستخدام الكبريت وتجنب هذه المواد، يمكن أن يكون لبطاريات الليز الاصطناعيين ذات الولاية الصلبة أثر أقل بكثير من البصمات الكربونية، وعلاوة على ذلك، يمكن تصميم الكهربية الصلبة بحيث تكون أكثر سهولة، رغم أن عمليات إعادة التدوير بالنسبة لهذه الكيمياء الجديدة لا تزال قيد التطوير.

5 - تبسيط الإدارة الحرارية

ونظراً لأن الكهرباء الصلبة مستقرة عند درجات الحرارة المرتفعة، فإن بطاريات الحرف الالي الصلدة تتطلب نظماً أقل دقة للتبريد، وفي موقع EV، يُعد تصميم هذه الحزمة المبسطة ويقلل استهلاك الطاقة الطفيلية من أجل الإدارة الحرارية، وفي تخزين الشبكة يمكن تركيب البطاريات في بيئات أقل تحكماً بالمناخ، مما يقلل من تكاليف الهياكل الأساسية.

التحديات التقنية المتبقية

وعلى الرغم من هذه المزايا الجبارة، فإن بطاريات سلفور ذات الصلصة ليست جاهزة بعد لنشرها تجاريا على نطاق واسع، ويجب التغلب على العديد من التحديات الأساسية.

مكوك بوليسولفيد

وحتى مع وجود كهروليت صلب، فإن البوليبريتيدات المتوسطة لليثيوم لا تزال تشكل في الكاثود، ويمكن أن تنتشر عبر حدود الحبوب أو الرفائق الدقيقة في الكهروليت، وهذا " أثر الخنق " يؤدي إلى فقدان المواد النشطة، وتلاشي القدرات، وسوء كفاءة الكولومبيك، وفي حين أن الكهرباء الصلبة يمكنها أن تحجب مادياً انتقال البوليستيروسفير أفضل من السائل، فإن القمع الكامل يتطلب تصميمازم

Solid Electrolyte Stability and Conductivity

ويجب أن تظهر الكهروليت الصلبة قدرة عالية على التصريف (أي من الناحية الايجابية 10-3 S/cm في درجة حرارة الغرفة) في حين أن البقاء مستقراً من الناحية الكيميائية ضد كل من معدّل الليثيوم وكهدر الكبريت، إذ أن العديد من الكهروليتات ذات القاعدة الكهرومغناطيسية، مثل لي 6PS5Cl، لها قدرة عالية على التصرف ولكنها شديدة التفاعل مع الضبط وتتطلب إنتاجاً من الفطر.

التوسع في الإنتاج والتدهور الميكانيكي

وأثناء التدوير، يحدث تغير كبير في حجم الكبريت (حتى 80 في المائة عند التلويث) ويمكن لهذا الضغط الميكانيكي أن يكسر الكهروليت الصلب، ويخلق فراغاً بين الوجوه، ويسبب التسرب بين طبقة الكاسد والكهرباء، وتستوعب هياكل العجلات المتقدمة مثل سد الكبريت في مضمار الكربون أو استخدام مركب البوليمرات الميكانيكية المتطورة.

نمو الليثيوم دينديكت

وعند استخدام معدن الليثيوم، يمكن أن يؤدي عدم وجود لوحات غير موحدة لليثيوم أثناء الشحن إلى نمو الطلاء الذي يمكن أن يخترق الكهرباء الصلبة ويتسبب في دوائر داخلية قصيرة، فالكهرباء الصلبة ذات الموصلات العالية القذيفة قادرة نظريا على قمع المكوس، ولكن في الممارسة العملية، لا تزال العيوب والحدود تسمح بجمع النسيجات.

تكاليف التصعيد والتصنيع

ويشكل إنتاج صحائف كهربائية صلبة ذات حجم عال وتدني التكلفة، وهي من التحديات الكبيرة في مجال التصنيع، كما أن أساليب الإنتاج الحالية (مثلاً، التلقيح الشريطي، أو التفريغ، أو التخصيب الكيميائي) إما بطيئة جداً، أو باهظة التكلفة، أو غير متجانسة، ويجب أن تؤدي الحاجة إلى تجهيز غرفة الجاف أو الغلاف الجوي غير المائي لأجهزة الإلكتروليت التي تفقد القدرة على إنتاجها إلى زيادة رأس المال وتكاليف التشغيل.

البحوث الجارية والانجازات الأخيرة

ويتصدى الباحثون والشركات في جميع أنحاء العالم لهذه التحديات بصورة نشطة، وقد ظهرت عدة اتجاهات واعدة.

السلف الصودية

New classes of solid electrolytes, such as halide-based (e.g., Li3YCl6) and dual-ion conductors, offer high conductivity combined with improved stability. Recent work from researchers at MIT demonstrated a sulfide electrolyte that resists decomposition at high voltages while maintaining conductivity.

تصميم الطوابع وإدارة سلفيد بوليسولفيد

وقد تبين من الدراسات التي أجريت مؤخراً من ستانفورد أن جسيمات كبريتيدات ذات طبقة رقيقة من الكبريتيدات يمكن أن تحد من فسخ البوليسيدات وتستوعب التغيرات في الحجم.() وقد أظهرت دراسات حديثة ] من ستانفورد أن تركيبات كبريت ذات طبقة رقيقة من الكهروليت الصلب يمكن أن تخلق " دورة حياة أساسية مستقرة " .

الهندسة البينية

To prevent dendrite growth and reduce interfacial resistance, researchers are developing artificial solid-electrolyte interphases (SEIs) on the lithium metal anode, using materials like lithium fluoride (LiF) or lithium nitride (Li3N). These little layers promote uniform lithium plating and improve the wetability of the solid electrolyte Act.[FT1]

الابتكارات الصناعية

وتزيد عدة شركات من شركات البداية والمصنعين المستقرين من الإنتاج باستخدام عمليات التدوير والتغليف بالبلوري، وتقنيات التداخل السريع، كما أن شركات مثل الكينتوم سكاب، وسلطة الصلب، وبرولوغوم تستهدف الإنتاج التجاري في أواخر عام 2020، كما أن أهداف محطة تخزين الطاقة التابعة للولايات المتحدة تعجل ببدء عملية التعبئة [FLT].

التطبيقات المحتملة وتأثير الأسواق

وإذا أمكن حل العقبات المتبقية، فإن بطاريات سلفيور الليثيوم الصلبة يمكن أن تعطل قطاعات متعددة.

مركبات كهربائية

إن الجمع بين كثافة الطاقة العالية والسلامة والتكلفة المنخفضة يجعل البطاريات ذات الصلصة من أجل الشاحنات الإلكترونية للمسافرين والشاحنات التجارية وحتى الطائرات الكهربائية، كما أن نطاق 600 ميل دون فرض عقوبة على الوزن على مجموعات البطاريات الحالية يمكن أن يزيل القلق من النطاقات ويقلل من الحاجة إلى البنية التحتية السريعة الشحن، كما أن انخفاض تكلفة البطاريات سيزيد من التكافؤ بين أسعار المركبات وبين مركبات الاحتراق الداخلي.

Grid-Scale Energy Storage

وبالنسبة للتخزين الثابت، فإن سلامة الخلايا الصلبة وطولها جذابان بشكل خاص، إذ يجب ألا تشكل مصارف البطاريات الكبيرة التي يتم تركيبها في المناطق الحضرية مخاطر حريق، وقد يؤدي انخفاض تكلفة المواد وطول دورة الحياة (المتوقعة بـ 000 5 إلى 000 10 دورة) إلى جعل الـ (لي) قادرة على المنافسة مع تكنولوجيات المياه المضخة وغيرها من تكنولوجيات تخزين السائب، مما يتيح زيادة فعالية إدماج مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية والريحة.

المواد الإلكترونية الاستهلاكية والقابلات للزراعة

ويمكن أن تتيح البطاريات ذات الوزن الخفيف والبطاريات الآمنة الهواتف الذكية المسمومة والحواسيب المحمولة ذات الاستخدام الأطول والأجهزة المبتكرة القابلة للارتداء ويمكن أن تُصنف خلايا اللي-S ذات الولاية الصلبة إلى أشكال غير تقليدية، مما يتيح لها أن تتناسب مع الضيوف المدمجة أو المكشوفة.

الفضاء الجوي والدفاع

إن الطاقة العالية المحددة (الساعة/الكيلوغرام) هي حرجة بالنسبة للطائرات بدون طيار والسواتل والمعدات العسكرية، حيث يحسب كل جرام، ويمكن لبطارية من طراز Li-S ذات الولاية الصلبة أن تُزود طائرة بدون طيار كهربائية لساعات بدلا من دقائق، أو أن تمكّن البعثات الفضائية التي تُشغل لمدة أطول دون نظم لإدارة حرارية ثقيلة.

التوقعات المستقبلية والخط الزمني للتسويق

وفي حين أن بطاريات " لي - إس " الثابتة ليست تجارية بعد، فقد تسارع التقدم المحرز في السنوات الخمس الماضية، إذ أن محللين صناعيين في مشروع IDTechEx] يعتمد على أول تطبيقات متخصصة - مثل الأجهزة الطبية والبطارية ذات الارتفاع الكبير - قد تظهر في أوائل عام 2026 إلى عام 2028، ويمكن أن تصل خلايا تصنيع أجهزة السيارات إلى السوق بحلول عام 2030.

ويمكن للهيكلات الهجينة، مثل استخدام كمية صغيرة من السائل أو الهدروليت الجيلي للوصلات البينية المبللة، أن تقدم خطوة وسيطة نحو النظم الكاملة للدول الصلبة، وقد حقق العديد من التصميمات الحالية " شبه الصلبة " تحسينات في كثافة الطاقة والسلامة على خلايا الليو التقليدية، ومن المرجح أن تكون هذه التصاميم بمثابة أسباب ثابتة للمواد والعمليات اللازمة لبطاريات الليزر المؤمنة.

خاتمة

إن بطاريات سلفر ذات الصلصة تمثل أحد أكثر الطرق واعدة في الجيل القادم من تخزين الطاقة، وإن مزاياها النظرية في كثافة الطاقة، والسلامة، والتكلفة، والآثار البيئية لا تضاهيها كيميائيات البطاريات الناشئة الأخرى، ومع ذلك فإن العقبات التقنية الكبيرة لا تزال قائمة بشكل خاص في إدارة التأثير المكوكي، والحفاظ على استقرار كهربائي صلب، وزيادة سرعة تطبيقات الإنتاج إلى الأمام.