بطارية الطاقة لتحديث صناعة السيارات الكهربائية؟

ذكرت صحيفة نيكي شيمبون اليابانية في 9 ديسمبر/كانون الأول أن شركة تويوتا تعمل على تطوير بطارية صلبة، يمكنها السير لمسافة 500 كيلومتر بمجرد شحنها، وتستغرق 10 دقائق للشحن الكامل، أي أقل بمقدار الثلثين على الأقل من السيارات الكهربائية التقليدية. ومن المتوقع أن تصبح تويوتا الشركة المصنعة الأولى في العالم لمركبات البطاريات الصلبة في الإنتاج الضخم، وستطلق نماذج أولية للمركبات في العام المقبل.

بالإضافة إلى أخبار تويوتا، أصدرت شركة QuantumScape، وهي شركة استثمرت بشكل مشترك بين فولكس فاجن وبيل جيتس، تقنية جديدة لبطاريات الحالة الصلبة، والتي يمكنها شحن 80% في 15 دقيقة، وزيادة كثافة الطاقة بنسبة 50%، وتتحمل نطاقًا أوسع من البطاريات. درجات حرارة منخفضة تصل إلى -30 درجة مئوية. قالت شركة فولكس فاجن إن هدفها هو الحصول على خط إنتاج جديد للبطاريات بحلول عام 2025.

إذن، ما الفرق بين بطارية الحالة الصلبة والبطارية التقليدية؟

بطارية الليثيوم التقليدية: تتكون من قطب موجب، وغشاء، وقطب سالب، ثم يتم ملؤها بالكهرباء.

بطارية الحالة الصلبة: تستخدم بطارية الليثيوم إلكتروليتًا صلبًا، وتحدد مادة الإلكتروليت إلى حد كبير أداء بطارية الليثيوم ذات الحالة الصلبة.

والفرق الرئيسي بين الاثنين هو أن المنحل بالكهرباء الموجود في بطارية الحالة الصلبة يكون صلبًا، مما يعني أن وسط انتقال أيون الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة يتغير من سائل إلى صلب. مع الترقية المستمرة لمواد الكاثود، يمكن للإلكتروليت الصلب أن يحقق تنسيقًا أفضل، مما يفضي إلى تحسين كثافة الطاقة لنظام البطارية.

مزايا بطارية الحالة الصلبة.

بسبب استخدام المنحل بالكهرباء الصلبة، بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم التقليدية، تتميز البطاريات الصلبة بخصائص عدم الاحتراق، ومقاومة درجات الحرارة العالية، وعدم التآكل، وعدم التطاير، وانخفاض خطر الحريق، وكثافة الطاقة العالية.

تصنيع بطارية الحالة الصلبة.

تعتبر بطارية الحالة الصلبة الحل الأخير للقلق بشأن كثافة طاقة البطارية وقوة تحملها. تتمتع بطارية الحالة الصلبة بالعديد من المزايا، لكنها لم يتم استخدامها على نطاق واسع بسبب تكلفتها العالية وانخفاض قدرتها الإنتاجية.

قد لا يكون تسويق بطاريات الحالة الصلبة بالسرعة التي يعتقدها الناس. في عام 2019، قالت نينغدي تايمز إنها ملتزمة بتطوير جميع بطاريات الحالة الصلبة وأنتجت عينات، لكن الأمر سيستغرق 10 سنوات حتى يتم تسويقها تجاريًا بالكامل، مما يعني أنها بعيدة كل البعد عن الإنتاج على نطاق واسع.

من المتوقع الجدول الزمني لتطبيق بطارية الحالة الصلبة.

-2021 ستكون فترة حضانة سوق بطاريات الحالة الصلبة. سيتم تنفيذ تخطيط المنتجات ذات الصلة والبحث والتطوير، وستظل البطاريات الثلاثية تهيمن على السوق.

-من 2021 إلى 2025، ستدخل بطاريات الحالة الصلبة المرحلة الأولى من التطبيق، حيث تصل كثافة طاقة البطارية إلى 300-500 واط ساعة/كجم، وسيتم تجهيز عدد صغير من السيارات الكهربائية المتطورة ببطاريات الحالة الصلبة.

-من عام 2025 إلى عام 2030 أو حتى لفترة أطول، سيكون السوق ناضجًا حقًا، وستتجاوز كثافة الطاقة لبطاريات الحالة الصلبة 500 وات/كجم، وسيكون الإنتاج على نطاق واسع شائعًا حقًا.

بشكل عام، جميع بطاريات الحالة الصلبة، وخاصة تلك المستخدمة في التطبيقات ذات التيار العالي مثل السيارات، بعيدة كل البعد عن نطاق التصنيع وتحتاج إلى مزيد من التطوير والتحكم في التكلفة.

لماذا يقول بعض الناس أن الإنتاج الضخم وشيك، بينما يقول آخرون أن الأمر سيستغرق 10 سنوات؟

كما قد تتخيل، فإن "بطاريات الحالة الصلبة" التي يتم الإعلان عنها حاليًا للإنتاج الضخم ليست جميعها بطاريات الحالة الصلبة، ولكنها بطاريات شبه صلبة.

تحتوي البطاريات شبه الصلبة عادةً على إلكتروليت صلب على أحد القطبين وإلكتروليت سائل على القطب الآخر. العديد من الأشخاص الذين يقومون بتجربة البطاريات شبه الصلبة مخصصون للاستخدام التجاري السريع. على سبيل المثال، وضعت شركة تويوتا أنظارها على تطوير جميع البطاريات الصلبة للترام، لكنها تقول إنها ستبدأ تدريجيا بالبطاريات "شبه الصلبة".

عندما قال نينغ دي إن الإنتاج على نطاق واسع سيستغرق 10 سنوات، كان يقصد جميع بطاريات الحالة الصلبة، وكان هذا هو الهدف.

هل ستشكل بطاريات الحالة الصلبة من تويوتا وكوانتوم سكيب تهديدًا للشركات الناشئة؟

من منظور تطوير بطارية الحالة الصلبة.

إن الابتكار في مجال تكنولوجيا البطاريات في الدول الأوروبية والأمريكية يقوده بشكل أساسي الشركات الناشئة. ولأن الشركات الصغيرة مسؤولة عن الإبداع في البلدان الأوروبية والأميركية، ولأن الشركات الكبيرة تحل مشاكل الابتكار من خلال عمليات الدمج والاستحواذ، فليست هناك حاجة للاستكشاف على نطاق واسع.

تهيمن شركات السيارات والآلات التقليدية على اليابان، لأن الشركات اليابانية التقليدية تتطلع إلى المستقبل للغاية وترغب في تجربة أي تكنولوجيا جديدة.

دخلت الصين مجال بطاريات الحالة الصلبة في وقت متأخر نسبيا. ومع ذلك، نعتقد أن بطاريات الحالة الصلبة ليست مثيرة للإعجاب كما وصفتها وسائل الإعلام. حتى لو كانت هناك فجوة لمدة سنة أو سنتين في البحث والتطوير، فهذا لا يكفي لقلب وضع الشركة الرئيسية لبطاريات الطاقة.

أولاً، عندما تصبح بطاريات الليثيوم سائدة، فسوف تتحسن بسرعة. النسخة السائلة الحالية، أو، ستستمر في التحسن، خاصة إذا حصلت على تحسن بنسبة 30% كل عام، 5 سنوات، 10 سنوات، فإن كفاءة البطارية المحسنة ستكون مماثلة لبطارية الحالة الصلبة.

ثانياً، يمكن بسهولة دمج تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة المبتكرة في المؤسسات. بطارية الحالة الصلبة هي أيضًا طريق بطارية الليثيوم. على طريق بطارية الليثيوم، يمكن بسهولة جمع هذه التقنيات المحسنة من قبل الشركات الرائدة. بالنسبة لاختراق تكنولوجيا البطاريات الجديدة، فإن عتبة ومخاطر بناء مصنع مرتفعة للغاية، لذلك سيبيع الكثير من الناس التكنولوجيا إلى الشركات الرائدة، والتي يمكنها توسيع النطاق بسرعة. الفجوة التكنولوجية النسبية لبطاريات الحالة الصلبة صغيرة، ومن الواضح أن ميزة الدفعة الكبيرة أكثر أهمية في تسويق بطاريات الحالة الصلبة.