Categories
Uncategorized

خبير يكشف دور بطاريات الحالة الصلبة في رفع كفاءة السيارات الكهربائية

June 6, 2025 by ndznogmy

تتصدّر قضية رفع كفاءة السيارات الكهربائية اهتمامات الباحثين والشركات العالمية، في محاولة لرفع مبيعات وزيادة انتشار هذا النوع من المركبات، ولا سيما في ظل ما تواجهه من منافسة شرسة من السيارات العاملة بالوقود الأحفوري.

وفي هذا الإطار، أبرز الخبير في شركة كرايسلر للسيارات الأستاذ بجامعة لورانس التكنولوجية في ميشيغان، الدكتور علاء الشرقاوي -في تصريحات خاصة إلى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)- دور البطاريات الصلبة في رفع كفاءة السيارات الكهربائية.

وتحدّث الشرقاوي عن تفوّق البطاريات الصلبة على نظيرتها الليثيوم أيون في عدة أوجه؛ أبرزها: السلامة، وسرعة الشحن، وارتفاع كثافة الطاقة، وطول العمر الافتراضي، والتصميم المضغوط، وخفة الوزن.

وتشهد السيارات الكهربائية نموًا متسارعًا في الأسواق العالمية، مدفوعة بالابتكار في تقنيات البطاريات، فقد ارتفع الإنتاج العالمي في عام 2024 بنسبة 25%، ليصل إلى 17.3 مليون سيارة كهربائية.

ومن المتوقع أن تتجاوز مبيعات السيارات الكهربائية 20 مليون وحدة بنهاية عام 2025.

وتشير التوقعات إلى استمرار هذا الزخم القوي خلال عام 2026، مع إمكان وصول المبيعات إلى 25 مليون وحدة أو أكثر في ظل التحسينات المستمرة في بطاريات الليثيوم أيون وتوسع البنية التحتية العالمية للشحن.

بطاريات الليثيوم أيون

تشتمل بطارية الليثيوم أيون التقليدية على 3 مكونات رئيسة: الأنود (القطب السالب)، والكاثود (القطب الموجب)، والفاصل البوليمري بينهما. 

وغالبًا ما يكون الأنود مصنوعًا من الغرافيت، ويخزّن أيونات الليثيوم في أثناء الشحن، في حين يتكوّن الكاثود من أكاسيد معادن الليثيوم، ويطلق الأيونات عند الشحن. 

ويسمح الغشاء المسامي الفاصل بمرور أيونات الليثيوم، ويمنع التلامس الكهربائي المباشر بين الأنود والكاثود، لتجنّب حدوث قصر كهربائي، كما يُوصّل الأنود والكاثود بدوائر كهربائية خارجية من خلال نقاط تلامس كهربائية.

وتعمل البطارية عندما تتحرك أيونات الليثيوم بين الكاثود والأنود عبر الفاصل في أثناء دورتَي الشحن والتفريغ. 

فعند الشحن تنتقل الأيونات من الكاثود إلى الأنود، في حين تتحرك الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية، وعند التفريغ، تعود الأيونات من الأنود إلى الكاثود وتنتج الإلكترونات تيارًا كهربائيًا. 

وهذا التبادل المستمر للأيونات هو ما يمكّن البطارية من توفير الطاقة وتخزينها بكفاءة.

ويوضح الإنفوغرافيك الآتي -من إعداد منصة الطاقة المتخصصة- المبادئ التشغيلية لبطاريات أيون الليثيوم التقليدية:

رفع كفاءة السيارات الكهربائية

بطاريات الحالة الصلبة (Solid-State Batteries)

تشبه البطاريات الصلبة في تركيبها العام بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، لكنها تختلف عنها بصورة رئيسة، كونها تستعمل إلكتروليتًا صلبًا بدلًا من الإلكتروليت السائل أو الهلامي المستعمل في بطاريات الليثيوم أيون. 

رفع كفاءة السيارات الكهربائية
الليثيوم أيون في نظام الدفع الكهربائي للسيارات

ويتكوّن هذا النوع من البطاريات من أنود (غالبًا من الليثيوم المعدني)، وكاثود (عادةً من أكاسيد معادن الليثيوم)، وبينهما إلكتروليت صلب مصنوع من مواد خزفية أو بوليمرية تنقل أيونات الليثيوم وتفصل بين القطبَيْن في الوقت نفسه؛ ما يلغي الحاجة إلى فاصل منفصل.

وتعمل هذه البطارية بالمبدأ نفسه: تنتقل أيونات الليثيوم خلال الشحن من الكاثود إلى الأنود، وتعود في أثناء التفريغ إلى الكاثود لتوليد التيار الكهربائي. 

إلا أن ما يميّز البطاريات الصلبة عن نظيرتها الليثيوم أيون التقليدية كونها أكثر أمانًا؛ لعدم احتوائها على سوائل قابلة للاشتعال. كما توفّر كثافة طاقة أعلى بسبب إمكان استعمال الليثيوم المعدني بمثابة أنود.

ويتمتع هذا النوع من البطاريات بعمر أطول؛ لأنها تقلل من نمو التفرعات المعدنية (dendrites) التي قد تؤدي إلى قصر كهربائي، إلا أنها ما تزال تواجه تحديات تقنية تتعلّق بمرونة المواد الصلبة وصعوبة التصنيع على نطاق واسع.

وعلى الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون تعتمد على استعمال إلكتروليت سائل أو هلامي، وعادة ما يكون مذيبًا عضويًا قابلًا للاشتعال، فإن بطاريات الحالة الصلبة تستعمل إلكتروليتًا صلبًا، يمكن أن يكون مصنوعًا من السيراميك أو الزجاج أو البوليمرات أو الكبريتيدات. 

وأوضح الدكتور علاء الشرقاوي أن هذا التغيير البسيط ظاهريًا له آثار عميقة في أداء البطارية وسلامتها وعمرها الافتراضي.

مزايا بطاريات الحالة الصلبة

أكد الدكتور علاء الشرقاوي -في تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة- أن بطاريات الحالة الصلبة تتسم بعدة مميزات أبرزها:

توفير قدر أكبر من السلامة:

يقلّل الإلكتروليت الصلب غير القابل للاشتعال بصورة كبيرة من خطر الحرائق والانفجارات، وهو مصدر قلق كبير مع الإلكتروليتات السائلة المتطايرة في بطاريات الليثيوم أيون، مما يلغي الحاجة إلى آليات سلامة ضخمة.

ويوضح الإنفوغرافيك الآتي -من إعداد منصة الطاقة المتخصصة- مقارنة بين بطارية أيون الليثيوم والبطارية ذات الحالة الصلبة:

رفع كفاءة السيارات الكهربائية

كثافة طاقة أعلى:

تتمتع بطاريات الحالة الصلبة بكثافة طاقة أعلى بكثير من نظيرتها من خلال اعتمادها على أنودات الليثيوم المعدني (التي تحمل طاقة أكبر من الغرافيت)، وهذا يترجم إلى نطاقات قيادة أطول للسيارات الكهربائية وأوقات استعمال ممتدة للإلكترونيات المحمولة مع بطاريات أصغر وأخف وزنًا.

وأظهرت الدراسات الحديثة أن كثافة الطاقة في بطاريات الحالة الصلبة يمكن أن تتضاعف تقريبًا مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية.

شحن أسرع: 

يمكن للإلكتروليت الصلب أن يسهل نقل الأيونات بصورة أسرع، مما يؤدي إلى تقليل مدة الشحن.

وتشير بعض الأبحاث إلى أن بطاريات الحالة الصلبة يمكن أن تشحن أسرع بـ4- 6 مرات من بطاريات الليثيوم أيون، مما قد يؤدي إلى شحن سيارة كهربائية إلى 80% في غضون 10-15 دقيقة فقط.

عمر افتراضي أطول:

تُعد الإلكتروليتات الصلبة أكثر استقرارًا بصفة عامة من الإلكتروليتات السائلة؛ ما قد يؤدي إلى طول عمر دورة الشحن (عدد المرات التي يمكن فيها شحن البطارية وتفريغها) وزيادة العمر الافتراضي الإجمالي للبطارية. 

وأظهرت بعض النماذج الأولية أعمارًا افتراضية تصل إلى 30 عامًا في تطبيقات السيارات الكهربائية.

ويوضح الجدول الآتي -من إعداد منصة الطاقة المتخصصة- الاختلافات الرئيسة بين بطاريات الحالة الصلبة ونظيرتها الليثيوم أيون:

رفع كفاءة السيارات الكهربائية

نطاق أوسع لدرجات حرارة التشغيل: 

لفت الدكتور علاء الشرقاوي -في تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة- إلى أنه يمكن لبطاريات الحالة الصلبة أن تعمل بفاعلية عبر نطاق أوسع من درجات الحرارة؛ ما يجعلها أكثر ملاءمة لظروف الطقس القاسية.

تصميم مضغوط وخفيف الوزن:

إزالة السوائل من البطاريات تجعلها أصغر حجمًا وأعلى في كثافة الطاقة، كما تجعلها أخف وزنًا، وهذا الأمر مهم جدًا لرفع كفاءة السيارات الكهربائية والأجهزة المحمولة.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..

إقرأ: خبير يكشف دور بطاريات الحالة الصلبة في رفع كفاءة السيارات الكهربائية على منصة الطاقة