قطعت تقنية البطارية شوطًا طويلاً على مر السنين. لن تكون الأدوات مثل طائرات بدون طيار والهواتف الذكية عملية بدون تكنولوجيا البطاريات الحديثة.
ومع ذلك ، يمكن أن تكون البطاريات دائمًا أفضل!
يبدو أن البطاريات ذات الحالة الصلبة هي التطور الكبير التالي والمنتجات التي تستخدمها قاب قوسين أو أدنى. هذا يعني أن الوقت الحالي هو الوقت المثالي للتعرف على ماهيتها وسبب أهميتها.
ماذا تعني "الحالة الصلبة"؟
سواء كانت بطارية سيارة حمض الرصاص ، أو مستهلكات قلوية ، أو بطاريات الليثيوم بوليمر في الهاتف ، فإنهم جميعًا يستخدمون إلكتروليت سائل. المحلول الكهربائي عبارة عن مادة موصلة تربط بين طرفي البطارية الداخليين. تتدفق الإلكترونات عبر الإلكتروليت ، مما يسمح للبطارية بتكوين شحنة كهربائية أو تفريغها.
تستخدم بطارية الحالة الصلبة إلكتروليتًا صلبًا ، بدلاً من السائل المنحل بالكهرباء التقليدي. هذا هو الاختلاف الأساسي الوحيد بين تقنيتي البطاريات. يبدو الأمر بسيطًا بدرجة كافية ، لكن المهندسين والعلماء ظلوا يكافحون لعقود من الزمن للتوصل إلى مادة صلبة يمكن أن تعمل كإلكتروليت.
ما هو الصعب في بطاريات الحالة الصلبة؟
توفر المواد المختلفة ، مثل السيراميك ومعادن الليثيوم ، إمكانات مثل إلكتروليتات الحالة الصلبة. المشكلة هي أن أسلوب السيراميك أدى إلى ضعف أداء البطارية. تعتبر معادن الليثيوم واعدة ، لكن بها عيب فادح. عندما يتم شحن البطارية وتفريغها ، تنمو "التشعبات" المعدنية من خلال الإلكتروليت. يمكن أن تحدث دائرة قصر للبطارية وتتحول إلى خطر.
كان إيجاد حلول عملية ومجدية اقتصاديًا لهذه المشكلات مهمة العديد من الشركات وفرق البحث على مدى السنوات القليلة الماضية. الآن هذا العمل على وشك أن يؤتي ثماره.
لماذا تمر كل هذه المشاكل؟ لنلقِ نظرة على الفوائد التي تعد بها بطاريات الحالة الصلبة على البطاريات التقليدية.
السلامة
تخزن البطاريات كميات كبيرة من الطاقة وهناك دائمًا خطر من إمكانية إطلاق هذه الطاقة بطريقة لا يمكن التحكم فيها . عندما يحدث ذلك ، يمكن أن يعني اندلاع حريق وانفجارات وغير ذلك من النتائج غير المرغوب فيها. تعد بطاريات الحالة الصلبة ، بافتراض حل مشكلة التغصنات ، بأن تكون أكثر أمانًا واستقرارًا. لسبب واحد ، أنها ليست قابلة للاشتعال ، لذا يجب أن تكون حرائق البطاريات شيئًا من الماضي.
هذا ليس مهمًا فقط للسيارات الكهربائية مثل السيارات والطائرات بدون طيار ، ولكن أيضًا للإلكترونيات الشخصية مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. يصاب العديد من الأشخاص كل عام بنيران البطاريات في أجهزتهم الإلكترونية. نتيجة لذلك ، تم حرق منازل بأكملها بالكامل!
سرعة إعادة الشحن
يمكن لبطاريات الليثيوم الحديثة اشحن بسرعات مذهلة ، لكنها لا تزال تستغرق وقتًا طويلاً لملئها فوق. هناك حد لمقدار الطاقة التي يمكنك سكبها في بطارية أيونات الليثيوم التقليدية قبل أن تذهب كلها بشكل جانبي. تعد بطاريات الحالة الصلبة بشحن أسرع بست مرات من البطاريات التي نستخدمها حاليًا. وهذا يعني شحن هاتفك من فارغ إلى ممتلئ في خمس دقائق أو شحن سيارة كهربائية حتى 80٪ في 15.
سعة الطاقة وحجمها
تتمتع بطاريات أيونات الليثيوم حاليًا بأعلى كثافة طاقة من أي نوع بطارية يتم بيعها للجمهور. ومع ذلك ، فإنه لا يزال أقل كثافة من البنزين بعدة مرات. في حين أن بطاريات الحالة الصلبة لا تجعل البطاريات على قدم المساواة مع الغاز ، إلا أنها تعد بمضاعفة كثافة الطاقة لكل حجم.
بمعنى آخر ، إذا قمت بتغيير البطارية في هاتفك باستخدام نموذج الحالة الصلبة ، فمن الممكن نظريًا أن تعمل ضعف المدة دون زيادة في الحجم. هذه نقطة بيع كبيرة أخرى للسيارات الكهربائية ، والتي لا تحظى بشعبية كبيرة ، وذلك بفضل القلق من المدى.
العمر الافتراضي والمتانة
تبدأ معظم بطاريات أيونات الليثيوم الحالية لتتحلل بعد حوالي 500 دورة تفريغ شحن كاملة. بعد هذه النقطة البطارية تفقد قدرتها حتى تتمكن بالكاد من الاحتفاظ بشحنة على الإطلاق. في الهواتف الذكية ، التي تميل الآن إلى احتواء البطاريات ، يضع هذا حدًا صارمًا على عمر الجهاز. تعد بطاريات الحالة الصلبة بزيادة هذا الحد بشكل كبير. بقدر خمس مرات.
لذلك ، في الحالات التي قد تبدأ فيها بطارية الهاتف المعتادة للاستخدام اليومي في التدهور بعد عامين إلى ثلاثة أعوام ، تظل بطارية الحالة الصلبة في سعتها المقدرة لمدة تصل إلى خمسة عشر عاما. في السيارات الكهربائية ، حيث يكون استبدال البطاريات مكلفًا للغاية ، يمكن أن يكون لذلك تأثير كبير على تكلفة ملكية هذه الفئة من المركبات.
نقاط ضعف بطارية الحالة الصلبة
إذا كان كل هذا يبدو جيدًا بدرجة يصعب تصديقها ، فهناك بعض المحاذير لهذه التقنية. لا تزال بعض هذه المشكلات بحاجة إلى حل قبل تحقيق اعتماد واسع النطاق لتقنية بطاريات الحالة الصلبة.
متى يمكنك شراء بطاريات الحالة الصلبة؟
هناك عدد قليل من الشركات مثل قوة صلبة و كوانتوم سكيب ، والتي تدعي أنها على أعتاب تطبيقات بطاريات الحالة الصلبة التجارية.
تخطط تويوتا لبيع سيارات كهربائية تعمل بالبطارية ذات الحالة الصلبة منذ 2021. تهدف كل من Solid Power و QuantumScape إلى طرح بطاريات للمركبات في 2022 و 2024 على التوالي. هذا يعني أنه في العامين المقبلين قد نكون في بداية ثورة البطارية.
هذا قبل أن ندخل حتى في الاحتمالات التي تأتي من استخدام الجرافين. تعد هذه المادة العجيبة ببطاريات أفضل ، سواء كانت تحتوي على إلكتروليتات سائلة أو صلبة. استعصى الحصول على الجرافين للعب الكرة العلماء والمهندسين لفترة أطول من المتوقع ، ولكن يمكنك بالفعل شراء هجين powerbank الجرافين الآن. حقًا ، المستقبل هنا.