بطاريات الحالة الصلبة ليست حلاً: فهي تؤدي أداءً أكثر قليلاً مما كنت أتوقعه

لطالما تم الترحيب ببطاريات الليثيوم المعدنية ذات الحالة الصلبة باعتبارها أداة محتملة لتغيير قواعد اللعبة في مجال تخزين الطاقة، خاصة في السيارات الكهربائية وغيرها من التطبيقات.

ومن المتوقع أن يتم تسويق هذه التكنولوجيا بين عامي 2026 و2028، وذلك من خلال تحسينات واعدة مثل قدر أكبر من الاستقلالية وأوقات شحن أسرع ومزيد من الأمان.

ومع ذلك، تشير الأبحاث الحديثة إلى أن أداء هذه البطاريات قد لا يرقى إلى مستوى التوقعات الأولية، مما يلقي بظلال من الشك على جدواها كبديل متفوق لبطاريات الليثيوم أيون التقليدية.

ربح 0.74% فقط

أشارت دراسة لتقييم الشوارد الصلبة من نوع العقيق، وتحديدًا أكسيد الليثيوم واللانثانم والزركونيوم (LLZO)، إلى أن فوائد كثافة الطاقة المتوقعة لبطاريات الليثيوم المعدنية ذات الحالة الصلبة قد تكون مبالغة في تقديرها.

وفقًا للنتائج، فإن بطارية الليثيوم والمعادن الصلبة بالكامل باستخدام LLZO ستحقق كثافة طاقة وزنية تبلغ حوالي 272 واط ساعة/كجم.

ويتجاوز هذا الرقم بشكل طفيف فقط 250-270 واط ساعة/كجم التي توفرها بطاريات الليثيوم أيون الحالية.

بطارية تويوتا الحالة الصلبة

نظرًا لارتفاع تكاليف الإنتاج وتحديات التصنيع الكبيرة الكامنة في معالجة LLZO، تفترض الدراسة أن الإلكتروليتات المركبة أو شبه الصلبة يمكن أن تظهر كخيارات أكثر عملية.

قال إريك جيانفينج تشينج، المؤلف الرئيسي للدراسة والباحث في WPI-AIMR بجامعة توهوكو: "تُعتبر بطاريات الليثيوم والمعادن ذات الحالة الصلبة بالكامل مستقبل تخزين الطاقة، لكن دراستنا تظهر أن التصميمات القائمة على LLZO قد لا تحقق القفزة المتوقعة في كثافة الطاقة. حتى في ظل الظروف المثالية، فإن المكاسب محدودة وتكاليف التصنيع والتحديات كبيرة."

اكتسبت بطاريات الليثيوم المعدنية ذات الحالة الصلبة الاهتمام في المقام الأول لتحسين السلامة وأداء الطاقة.

ومع ذلك، يشير الفحص الدقيق للخلايا الجرابية العملية المستندة إلى LLZO إلى أن توقعات زيادة كثافة الطاقة قد تكون مضللة.

حتى مع وجود فاصل سيراميك LLZO فائق النحافة بقطر 25 ميكرومتر وكاثود عالي السعة، يظل الأداء أفضل قليلاً فقط من أداء أفضل خلايا أيونات الليثيوم التقليدية.

نموذج بطارية الحالة الصلبة (من جامعة توهوكو)

بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة

أحد الجوانب المهمة التي أبرزتها الدراسة هو كثافة LLZO.
في حين أنها تتمتع بكثافة طاقة حجمية مثيرة للإعجاب تبلغ حوالي 823 واط ساعة/لتر، فإن هذه الميزة تساعد أيضًا على زيادة الكتلة الإجمالية للخلية، مما يخفف من فوائد الطاقة المتوقعة.

علاوة على ذلك، فإن قيود LLZO لا تتوقف عند هذا الحد. تؤدي هشاشته إلى تعقيد تصنيع صفائح رقيقة خالية من العيوب، في حين تشكل تشعبات الليثيوم والفراغات المحتملة في الواجهة تحديات إضافية أمام التصنيع على نطاق واسع.

وأشار تشنغ إلى أن "LLZO هي مادة ممتازة من منظور الاستقرار، ولكن قيودها الميكانيكية وعقوبات الوزن تخلق عوائق خطيرة أمام تسويقها."
في ضوء هذه النتائج، يدرس الباحثون الأساليب الهجينة التي تجمع بين LLZO مع مواد أخرى.

تتضمن إحدى الاستراتيجيات الواعدة تطوير إلكتروليتات LLZO-in-polymer المركبة.
يهدف هذا النهج إلى الحفاظ على الموصلية الأيونية العالية مع تحسين المرونة وقابلية التصنيع.

المفهوم الناشئ الآخر هو مفهوم إلكتروليتات LLZO شبه الصلبة ، والتي تمزج كمية صغيرة من الإلكتروليت السائل مع المكونات الصلبة لتحسين نقل الأيونات والسلامة الهيكلية.

تشير النتائج الأولية إلى أن هذه التصميمات الهجينة توفر استقرارًا أفضل على المدى الطويل من نظيراتها المصنوعة من السيراميك بالكامل.

وعلق تشينغ قائلاً: "بدلاً من التركيز على بطارية الحالة الصلبة المصنوعة بالكامل من السيراميك، نحتاج إلى إعادة التفكير في نهجنا".

"من خلال الجمع بين LLZO والإلكتروليتات القائمة على البوليمر أو الهلام، يمكننا تحسين قابلية التصنيع، وتقليل الوزن، مع الحفاظ على الأداء العالي."

الدراسة، التي نُشرت مؤخرًا في مجلة Energy Storage Materials ، هي نتيجة للتعاون بين باحثين من جامعة توهوكو، وجامعة شنغهاي جياو تونغ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجامعة ويسكونسن ماديسون، وجامعة جونز هوبكنز، وجامعة سانت أندروز.

مقالة بطاريات الحالة الصلبة ليست حلاً: فهي لا تنتج أكثر مما أطلبه إلا قليلاً من السيناريوهات الاقتصادية .