أخبار EVsالبطارياتصيني EV

بطاريات الليثيوم الصلبة تعود مرة أخري

لماذا تنتج الشركات الصينية بطاريات الليثيوم الصلبة هذه الايام

بطاريات الليثيوم كانت صلبة قبل أن يتم  استخدام السائل المنحل منها بالكهرباء ، عادت الشركات لانتاج بطاريات الليثيوم الصلبة مرة أخري واستخدامها في السيارات الكهربائية اليوم؟ كان السائل المنحل بالكهرباء حلاً وسطًا ضروريًا لجعل بطاريات الليثيوم قابلة للاستخدام ، باعتبارها آمنة ومتينة نسبيًا ، في الإلكترونيات أو المركبات. في الأسبوع الماضي ، سلمت Dongfeng مجموعة من مركبات الاختبار المزودة بطاريات الليثيوم الصلبة SSB . إليكم سبب عودتهم إلى التكنولوجيا القديمة.

 

بطارية الليثيوم أيون

تتكون خلايا بطارية الليثيوم من عدة أجزاء. هناك طرف موجب (كاثود) ، وطرف سالب (أنود) ، وفاصل بين الاثنين ، ووسيط يمكن من خلاله لأيونات الليثيوم أن تنتقل من طرف إلى آخر (إلكتروليت). أثناء الشحن ، تتحرك أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب بينما يتحرك إلكترونها الحر (“الكهرباء”) في الاتجاه المعاكس. أثناء التفريغ ، تنعكس العملية. وهذا يختلف عن بطاريات الليثيوم الصلبة

 

خلية أيون الليثيوم النموذجية

يتم تحديد سعة خلية البطارية من خلال عدد أيونات الليثيوم التي يمكنك تخزينها في حجم معين ووزن معين. تعتمد السرعة التي يمكنك بها شحن البطارية أو تفريغها على مدى سهولة انتقال الليثيوم من جانب إلى آخر. اليوم ، يُظهر الوصف الكيميائي لبطاريات Li-ion الحلول المختلفة لمشكلة التخزين هذه. على سبيل المثال ، على جانب الكاثود ، تتمتع بطاريات ليثيوم-فوسفات (LFP) بهيكل بلوري كثيف ومستقر يخزن أيونات الليثيوم في الأنابيب. هذا يعني أن الأيونات يمكن أن تتحرك في اتجاه واحد فقط. لذا فإن الانتقال إلى المحطة الأخرى يسير ببطء نسبيًا. تخزن بطاريات النيكل والكوبالت والمنغنيز الليثيوم في الطائرات ، مما يعني بعدين للتنقل. تخزن هذه الكيمياء المزيد من الليثيوم في نفس الحجم ، وتتحرك بشكل أسرع. على الجانب السلبي ، عندما يتحرك الليثيوم إلى القطب الموجب ، يصبح هيكل NCM غير مستقر وينهار إذا ابتعد كل الليثيوم. يجب أن يبقى بعض الليثيوم في الخلف ، مما يقلل ميزة السعة قليلاً.

 

لماذا بطاريات الليثيوم الصلبة؟

يهتم مصنعو بطاريات الليثيوم الصلبة المعروفة بطاريات SSB على جانب الأنود. تستخدم كل من بطاريات LFP و NCM الكربون كقطب موجب. يخزن الكربون الليثيوم جيدًا ، لكن بعض المواد تفعل ذلك بشكل أكثر فاعلية. يمكن أن تؤدي إضافة السيليكون إلى تحسين السعة التخزينية لأنودات الكربون ، ولكن بدرجة معينة فقط. هذا هو السبب في أن مصنعي البطاريات يستخدمون بدلاً من ذلك مركبات معدن الليثيوم على جانب الأنود لأنه يخزن المزيد من الليثيوم في نفس المكان. في الواقع ، بدأت أقدم بطاريات Li-ion باستخدام أنود Li-metal.

جمعت البطاريات المبكرة بين الفاصل والإلكتروليت في عنصر واحد صلب. عادة ، كانت مصنوعة من مادة مركبة تحتوي على الفضة. نجح هذا الأمر جيدًا بالنسبة للبطاريات غير القابلة للشحن ، والتي كانت تستخدم في التطبيقات الطبية في وقت مبكر من الستينيات ، ولكن عندما حاول العلماء صنع بطارية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن ، ظهرت المشكلات. كانت المشكلة الأولى هي أن الفاصل / المنحل بالكهرباء يتمتع بمقاومة داخلية عالية جدًا ، لذلك كان الشحن بطيئًا وكان مصحوبًا بفقد كبير في الطاقة. المشكلة الثانية كانت التشعبات. عندما يتم شحن البطارية ، انتقلت أيونات الليثيوم إلى القطب الموجب ، ولكن بدلاً من تخزينها داخل الهيكل البلوري ، شكلت الليثيوم الصلب على سطح الأنود. يعتبر هذا الليثيوم الصلب مادة ميتة ، مما يقلل من سعة البطارية المتبقية. وهذه الهياكل الصلبة من الليثيوم ، التشعبات ، استمرت في النمو مع كل إعادة شحن وفي النهاية اخترقت الفاصل ، مما تسبب في حدوث دائرة كهربائية قصيرة. هذا ، بالطبع ، يدمر البطارية.

 

تسويق بطارية الليثيوم القابلة لإعادة الشحن

لتسويق بطارية الليثيوم القابلة لإعادة الشحن ، قام العالم بأمرين. أولاً ، قاموا باستبدال أنود Li-metal بالكربون. . ثانيًا ، استبدلوا المنحل بالكهرباء الصلب بإلكتروليت عضوي سائل. هذا يحل مشكلة المقاومة العالية. وكان هناك التصميم الأساسي لبطارية Li-ion التي نعرفها اليوم بطاريات الليثيوم السائلة.

 

ومع ذلك ، لم يكن الحل المختار يخلو من التحديات. يخزن الكربون أيونات ليثيوم أقل من Li-metal ، لذلك تم تقليل السعة ، وأصبحت البطاريات ثقيلة نوعًا ما ، بطاريات ضخمة للسيارات. كان أحد الاهتمامات الرئيسية في العقد الماضي هو زيادة السعة (وهو ما يعادل خفض الوزن). حتى الآن ، ركزت التطورات على جانب الكاثود ، كما أوضحنا سابقًا مع LFP و NCM. كان السائل المنحل بالكهرباء مشكلة أكبر لأنه قابل للاشتعال. كما رأينا عدة مرات ، فإن الشحن الزائد بسبب نقص إدارة درجة الحرارة للأضرار الخارجية للبطارية يمكن أن يكون له عواقب وخيمة ، مثل الانفجارات والحرائق. لحل هذه المشكلات ، لم ينس العالم أبدًا الإلكتروليت الصلب. لو استطاعوا فقط حل التشعبات ومشاكل المقاومة الداخلية.

بطاريات الليثيوم الصلبة

ظهرت أول بطارية صلبة في السوق منذ أكثر من عشر سنوات. يعرف العلماء بالفعل أن البعض كذلك مواد الغطاء عبارة عن موصلات أيونية نقية ، وفي أواخر العقد الأول من القرن الحالي ، كانوا قادرين على تكوين إلكتروليت بوليمر صلب. يتكون هذا المنحل بالكهرباء الصلب عن طريق إذابة ملح الليثيوم في بوليمر بولي أوكسي إيثيلين. لقد حلت مشكلة المقاومة الداخلية لكنها لم تهتم بالتشعبات. إلى جانب كاثود LFP وأنود Li-metal ، تم تسويق هذه البطارية بواسطة BlueSolutions وتم طرحها في السوق منذ عام 2011. وقد تم استخدامها في برنامج مشاركة السيارات Bollore Bluecar في باريس وهي متوفرة حاليًا في بعض حافلات مرسيدس-بنز. تبلغ درجة حرارة تشغيل البطارية 80 درجة مئوية وتحتاج إلى نظام تدفئة ، لذا فإن سعة عبوتها الإجمالية ليست أفضل من بطاريات Li-ion ذات الإلكتروليت السائل.

 

Bollore Bluecar مع بطارية بوليمر صلبة

لذا لا يبدو أن احتمالات بطارية الليثيوم بوليمر مفيدة للغاية. حدد صانعو البطاريات مسارين محتملين بطاريات الليثيوم الصلبة لـ SSB في المستقبل. الأول هو تباين في المحلول القديم ، أنود Li-metal ، وأكسيد الليثيوم (Li-OH) المنحل بالكهرباء الصلب ، والآخر هو بطارية الليثيوم الكبريت (Li-S).

بحث علمي يبتكر إلكتروليتا جديدا يزيد من عمر البطارية وسعتها
بحث علمي يبتكر إلكتروليتا جديدا يزيد من عمر البطارية وسعتها
معدن الليثيوم SSB

دعونا نلقي نظرة على Li-OH أولاً. الابتكار هو استخدام أكسيد الليثيوم كمحلول إلكتروليت صلب. يمكن لهذه البطارية استخدام الكيمياء الحالية مثل LFP أو NCM أو NCA على جانب الكاثود. عادة ما يكون الأنود هو معدن الليثيوم ، على الرغم من اقتراح الليثيوم النقي في بعض الأحيان. يجب أن يوفر المنحل بالكهرباء Li-OH حماية أفضل ضد التشعبات. يتمتع هذا المسار بميزة واحدة واضحة باعتباره تقنية انتقالية: ليس من الضروري أن يكون متينًا بالكامل في وقت واحد. تعد بطارية Ganfeng Lithium في سيارة Dongfeng على الأرجح واحدة من هذه الأنواع الانتقالية: فهي تحتوي بشكل أساسي على إلكتروليت صلب. ومع ذلك ، فإنه يحتوي أيضًا على كمية صغيرة من السائل المنحل بالكهرباء. لذلك فهو شبه SSB. من المحتمل أن يتبع Quantumscape في الولايات المتحدة والعديد من مصنعي البطاريات الصينيين هذا الطريق. أدخل نصف SSB أولاً وابدأ في تقليل كمية السائل المنحل بالكهرباء بمجرد أن تصبح مشكلة التغصنات تحت السيطرة. سيبدأ ظهور شبه SSB على هذا النحو ، وفي السنوات القليلة القادمة ، ربما تكون أجهزة SSB الحقيقية التي تستخدم Li-OH على بعد خمس سنوات على الأقل. من المتوقع ظهور مجموعة واسعة من التقنيات الجديدة على المدى القصير.

 

خلايا بطاريات الليثيوم الصلبة  Ganfeng

الآن Li-S. هذا هو نوع SSB Toyota الذي تطوره. وعد اليابانيون بالكشف عن منتج كامل في أولمبياد طوكيو لكنهم فشلوا في الوفاء بهذا الوعد. من السهل تخمين سبب ذلك: من الصعب للغاية صنع بطارية Li-S.

فلماذا تجربها؟ كما تتذكر ، تعتمد سعة البطارية على كمية الليثيوم التي يمكنك تخزينها في حجم معين. يحتوي الليثيوم-الكبريت على أعلى سعة تخزين من بين المواد المعروفة ، لذا فهو جذاب للغاية للاستخدام على جانب الكاثود. هذه هي الكيمياء التي سترفع السعة بنسبة 400 إلى 500٪ ، بمعنى آخر: الكأس المقدسة. من المرجح أن يكون الأنود هو الليثيوم النقي والإلكتروليت لبعض الموصلات الخزفية. إذا كنت تقرأ عبارة “SSB فائقة الأمان وخفيفة الوزن وفائقة السرعة لشحن SSB” ، فغالبًا ما يكون هذا هو التكوين المشار إليه.

 

 

الآن ، لماذا يصعب صنع بطاريات الليثيوم الصلبة

أولاً ، عندما يتلامس Li-S مع الماء ، فإنه يتفاعل وينتج غازًا يسمى كبريتيد الهيدروجين (H2S). H2S مادة أكالة وقابلة للاشتعال وسامة. عندما يستنشقه البشر (بتركيز كبير بدرجة كافية) ، يكون له تأثيرات مماثلة للسيانيد ، وقد استخدم كسلاح كيميائي في الحرب العالمية الأولى. لذا فإن مخاطر السلامة واضحة. كما أن له عيبًا إضافيًا يتمثل في أن استخدام Li-S في الأجهزة المحمولة أو القابلة للارتداء أقل احتمالًا ، نظرًا للعزل المائي الشديد المطلوب ، مما يحد من نطاق السوق.

هذا التفاعل مع الماء يمثل أيضًا مشكلة أثناء الإنتاج ، حيث يحتوي الهواء على بخار الماء. أثناء التجميع في جو قياسي ، ينتج Li-S بعض غاز H2S الذي يشكل عيوبًا أو عيوبًا على سطح الكاثود. تصبح هذه العيوب نقطة البداية للتشعبات وتقلل بشكل خطير من العمر الافتراضي لخلية البطارية.

ثانيًا ، هناك حساسية مماثلة للمواد الأخرى في غلافنا الجوي ، مثل الجسيمات. يمكن أن تسبب هذه الجسيمات أيضًا عيوبًا أو عيوبًا على سطح الكاثود مع نفس النتيجة السلبية لبخار الماء.

 

هوندا وأكورا ينتجان سياراتان تعتمدا على بطاريات Ultium من جنرال موتورز
هوندا وأكورا ينتجان سياراتان تعتمدا على بطاريات Ultium من جنرال موتورز
بطاريات الليثيوم الصلبة الجديدة

حتى الآن ، يجب أن يتم تجميع خلايا Li-S في بيئة مسيطر عليها بالكامل ، غرفة جافة ونظيفة. المعلومات الواردة من Toyota هي أنها تجمع خلايا Li-S يدويًا داخل علبة القفازات (“حوض أسماك” صغير متصل بقفازات مختومة ، حيث يمكن للمشغل وضع يديه) بجو أرجون 100٪. الأرجون هو عنصر غير تفاعلي في الغالب. بالطبع ، طريقة الإنتاج هذه ليست قابلة للتطوير ، وسيكون صنع بطارية EV بهذه الطريقة مكلفًا للغاية.

هوندا وأكورا ينتجان سياراتان تعتمدا على بطاريات Ultium من جنرال موتورز
هوندا وأكورا ينتجان سياراتان تعتمدا على بطاريات Ultium من جنرال موتورز
استنتاج بطاريات الليثيوم الصلبة

كانت هذه هي أساسيات بطاريات الليثيوم الصلبة SSB الموضحة ، يمكننا إلقاء نظرة على مستقبل تكنولوجيا البطاريات. هناك تغيير تدريجي في التكنولوجيا على وشك الحدوث. العديد من الشركات المصنعة قريبة جدًا من تسويق بطاريات الليثيوم الصلبة SSB الأولى.في المقام الأول ، سيكون هذا شبه SSB من نوع Li-OH ، مع وجود كمية صغيرة من الإلكتروليت السائل المتبقي. هناك بعض مخاطر  لأن هذه الأجهزة شبه المقواة لن تكون هي الاساس لتكنولوجيا البطاريات. سيكون لديهم قدرة أفضل من Li-ion الحالي ، ولكن ربما ليس بالقدر الذي يأمله الكثير من الناس. وستكون باهظة الثمن في البداية. لنفترض أن الخطوة الكبيرة لمضاعفة السعة لا تزال بضع سنوات في المستقبل. لكني أعتقد أنه بحلول نهاية العقد ، ستكون هناك وحدات تخزين SSB عالية السعة وبأسعار معقولة.

شراكة جنرال موتورز و Li-Cycle لإعادة تدوير نفايات بطارية EV
شراكة جنرال موتورز و Li-Cycle لإعادة تدوير نفايات بطارية EV

 

توقع كثافة بطاريات الليثيوم الصلبة SSB

بطاريات الليثيوم الصلبة  Li-S لها مسار زمني غير مؤكد. لأنها تقنية جذابة للغاية ، تتبع العديد من الشركات (وليس فقط تويوتا) هذا المسار. ومع ذلك ، فإن تحديات الوصول إلى الإنتاج الضخم هائلة ، ولا أحد لديه أي فكرة عن تكلفة الإنتاج حتى الآن. لا أستطيع أن أقدم لكم أي تنبؤات يمكن تصديقها. إنها حالة “دعونا ننتظر ونرى”.

 

المصدر :

 

https://carnewschina.com/2022/01/24/solid-state-battery-explained-when-its-coming-to-mass-production/

أقرأ ايضا :

بطاريات الصوديوم سوف تقوم  بتشغيل سيارتك الكهربائية الجديدة

اظهر المزيد

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

زر الذهاب إلى الأعلى