إن الحاجة الملحة للحد من انبعاثات الكربون تدفع إلى التحرك السريع نحو كهربة وسائل النقل وتوسيع نطاق نشر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على الشبكة.وإذا تصاعدت هذه الاتجاهات كما هو متوقع، فسوف تشتد الحاجة إلى طرق أفضل لتخزين الطاقة الكهربائية.
تقول الدكتورة إلسا أوليفيتي، الأستاذة المشاركة في علوم وهندسة المواد في جامعة إستير وهارولد إدجيرتون، إننا بحاجة إلى كل الاستراتيجيات التي يمكننا الحصول عليها لمواجهة تهديد تغير المناخ.ومن الواضح أن تطوير تقنيات التخزين الجماعي القائمة على الشبكة أمر بالغ الأهمية.ولكن بالنسبة لتطبيقات الهاتف المحمول - وخاصة النقل - تركز الكثير من الأبحاث على التكيف مع تطبيقات اليومبطاريات الليثيوم أيونلتكون أكثر أمانًا وأصغر حجمًا وقادرة على تخزين المزيد من الطاقة بالنسبة لحجمها ووزنها.
تستمر بطاريات الليثيوم أيون التقليدية في التحسن، لكن قيودها لا تزال قائمة، ويرجع ذلك جزئيًا إلى بنيتها.تتكون بطاريات الليثيوم أيون من قطبين كهربائيين، أحدهما موجب والآخر سالب، محصورين في سائل عضوي (يحتوي على الكربون).عندما يتم شحن البطارية وتفريغها، يتم تمرير جزيئات الليثيوم المشحونة (أو الأيونات) من قطب كهربائي إلى آخر من خلال المنحل بالكهرباء السائل.
إحدى مشكلات هذا التصميم هي أنه عند جهد كهربائي ودرجات حرارة معينة، يمكن أن يصبح المنحل بالكهرباء السائل متطايرًا ويشتعل.البطاريات آمنة عمومًا في ظل الاستخدام العادي، لكن الخطر يظل قائمًا، كما يقول الدكتور كيفن هوانغ الحاصل على درجة الدكتوراه لعام 2015، وهو عالم أبحاث في مجموعة أوليفيتي.
مشكلة أخرى هي أن بطاريات الليثيوم أيون ليست مناسبة للاستخدام في السيارات.تشغل مجموعات البطاريات الكبيرة والثقيلة مساحة، وتزيد من الوزن الإجمالي للمركبة وتقلل من كفاءة استهلاك الوقود.ولكن من الصعب جعل بطاريات الليثيوم أيون اليوم أصغر حجما وأخف وزنا مع الحفاظ على كثافة الطاقة الخاصة بها - كمية الطاقة المخزنة لكل جرام من الوزن.
ولحل هذه المشاكل، يقوم الباحثون بتغيير السمات الرئيسية لبطاريات أيون الليثيوم لإنشاء نسخة صلبة بالكامل، أو الحالة الصلبة.إنهم يستبدلون الإلكتروليت السائل الموجود في المنتصف بإلكتروليت صلب رفيع يكون مستقرًا على نطاق واسع من الفولتية ودرجات الحرارة.باستخدام هذا المنحل بالكهرباء الصلب، استخدموا قطبًا موجبًا عالي السعة وقطبًا سالبًا من معدن الليثيوم عالي السعة والذي كان أقل سمكًا بكثير من طبقة الكربون المسامية المعتادة.تسمح هذه التغييرات بخلية إجمالية أصغر بكثير مع الحفاظ على قدرتها على تخزين الطاقة، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة.
هذه الميزات - تعزيز السلامة وزيادة كثافة الطاقة- من المحتمل أن تكون الفائدتان الأكثر شيوعًا لبطاريات الحالة الصلبة المحتملة، ومع ذلك فإن كل هذه الأشياء تطلعية ومأمولة، وليس بالضرورة قابلة للتحقيق.ومع ذلك، فإن هذا الاحتمال يدفع العديد من الباحثين إلى البحث عن المواد والتصميمات التي ستفي بهذا الوعد.
التفكير خارج المختبر
لقد توصل الباحثون إلى عدد من السيناريوهات المثيرة للاهتمام والتي تبدو واعدة في المختبر.لكن أوليفيتي وهوانج يعتقدان أنه نظرا لإلحاح تحدي تغير المناخ، فقد تكون هناك اعتبارات عملية إضافية مهمة.يقول أوليفيتي: لدينا نحن الباحثون دائمًا مقاييس في المختبر لتقييم المواد والعمليات المحتملة.قد تشمل الأمثلة سعة تخزين الطاقة ومعدلات الشحن/التفريغ.ولكن إذا كان الهدف هو التنفيذ، فإننا نقترح إضافة مقاييس تتناول على وجه التحديد إمكانية التوسع السريع.
المواد والتوافر
في عالم الشوارد الصلبة غير العضوية، هناك نوعان رئيسيان من المواد - الأكاسيد التي تحتوي على الأكسجين والكبريتيدات التي تحتوي على الكبريت.يتم إنتاج التنتالوم كمنتج ثانوي لتعدين القصدير والنيوبيوم.تشير البيانات التاريخية إلى أن إنتاج التنتالوم أقرب إلى الحد الأقصى المحتمل من إنتاج الجرمانيوم أثناء تعدين القصدير والنيوبيوم.وبالتالي فإن توفر التنتالوم يمثل مصدر قلق أكبر لاحتمال توسيع نطاق الخلايا المعتمدة على LLZO.
ومع ذلك، فإن معرفة مدى توفر عنصر ما في الأرض لا يحل الخطوات اللازمة لوصوله إلى أيدي الشركات المصنعة.لذلك قام الباحثون بالتحقيق في سؤال متابعة حول سلسلة التوريد للعناصر الرئيسية - التعدين والمعالجة والتكرير والنقل وما إلى ذلك. وبافتراض وجود إمدادات وفيرة، هل يمكن توسيع سلسلة التوريد لتوصيل هذه المواد بسرعة كافية لتلبية الطلب المتزايد؟ الطلب على البطاريات؟
وفي تحليل العينة، نظروا في مدى حاجة سلسلة التوريد للجرمانيوم والتنتالوم إلى النمو عامًا بعد عام لتوفير البطاريات لأسطول السيارات الكهربائية المتوقع في عام 2030.على سبيل المثال، سيحتاج أسطول السيارات الكهربائية، الذي غالبا ما يُستشهد به كهدف لعام 2030، إلى إنتاج ما يكفي من البطاريات لتوفير إجمالي 100 جيجاوات ساعة من الطاقة.ولتحقيق هذا الهدف، وباستخدام بطاريات LGPS فقط، ستحتاج سلسلة توريد الجرمانيوم إلى النمو بنسبة 50% على أساس سنوي - وهي نسبة تمتد، حيث كان الحد الأقصى لمعدل النمو حوالي 7% في الماضي.باستخدام خلايا LLZO فقط، ستحتاج سلسلة التوريد للتنتالوم إلى النمو بنحو 30% - وهو معدل نمو أعلى بكثير من الحد الأقصى التاريخي البالغ حوالي 10%.
توضح هذه الأمثلة أهمية النظر في توفر المواد وسلسلة التوريد عند تقييم إمكانية توسيع نطاق الإلكتروليتات الصلبة المختلفة، كما يقول هوانغ: حتى لو لم تكن كمية المادة مشكلة، كما هو الحال في حالة الجرمانيوم، فإن توسيع نطاق كل شيء قد تتطلب الخطوات في سلسلة التوريد لتتناسب مع إنتاج السيارات الكهربائية المستقبلية معدل نمو غير مسبوق تقريبًا.
المواد والتجهيز
هناك عامل آخر يجب مراعاته عند تقييم إمكانية التوسع في تصميم البطارية وهو صعوبة عملية التصنيع وتأثيرها على التكلفة.لا شك أن هناك العديد من الخطوات التي ينطوي عليها تصنيع بطارية الحالة الصلبة، وفشل أي خطوة يزيد من تكلفة كل خلية يتم إنتاجها بنجاح.
وكبديل لصعوبة التصنيع، استكشف أوليفيتي وسيدر وهوانغ تأثير معدل الفشل على التكلفة الإجمالية لتصميمات مختارة لبطاريات الحالة الصلبة في قاعدة بياناتهم.وفي أحد الأمثلة، ركزوا على أكسيد LLZO.LLZO هشة للغاية ومن المحتمل أن تتشقق أو تتشوه الصفائح الكبيرة الرفيعة بما يكفي لاستخدامها في بطاريات الحالة الصلبة عالية الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة التي تدخل في عملية التصنيع.
ولتحديد التكاليف المترتبة على مثل هذه الإخفاقات، قاموا بمحاكاة خطوات المعالجة الرئيسية الأربعة التي ينطوي عليها تجميع خلايا LLZO.وفي كل خطوة، قاموا بحساب التكلفة بناءً على العائد المفترض، أي نسبة إجمالي الخلايا التي تمت معالجتها بنجاح دون فشل.بالنسبة لـ LLZO، كان العائد أقل بكثير من التصميمات الأخرى التي درسوها؛علاوة على ذلك، مع انخفاض العائد، زادت تكلفة كيلوواط ساعة (كيلوواط ساعة) من طاقة الخلية بشكل ملحوظ.على سبيل المثال، عندما تمت إضافة خلايا إضافية بنسبة 5% إلى خطوة التسخين النهائية للكاثود، زادت التكلفة بحوالي 30 دولارًا/كيلووات ساعة - وهو تغيير لا يذكر بالنظر إلى أن التكلفة المستهدفة المقبولة عمومًا لمثل هذه الخلايا هي 100 دولار/كيلووات ساعة.ومن الواضح أن صعوبات التصنيع يمكن أن يكون لها تأثير عميق على جدوى اعتماد التصميم على نطاق واسع.
وقت النشر: 09 سبتمبر 2022