بطاريات الحالة الصلبة Solid-State Batteries "الثورة التكنولوجية القادمة"

Lusius Quietus

التحالف يجمعنا
صقور التحالف
إنضم
12/12/18
المشاركات
1,864
مستوى التفاعل
8,078


الفرق الكبير بين بطاريات الحالة الصلبة وأنواع أخرى من البطاريات هو استخدام الشوارد الصلبة solid electrolytes، بدلاً من الشوارد السائلة liquid electrolytes المستخدمة في البطاريات الأخرى. شهدت بطاريات الليثيوم أيون تطورات تكنولوجية كبيرة، لكن الخبراء يعتقدون على نطاق واسع أن تكنولوجيا ليثيوم أيون قد بلغت حدود كفاءتها. تتطلب الخطوة التالية في المستقبل نوعًا مختلفًا من البطاريات، وهنا تأتي البطاريات ذات الحالة الصلبة.

بطاريات الحالة الصلبة أصغر حجماً وأخف وزناً وتوفر كثافة طاقة أكبر من بطاريات الليثيوم أيون القائمة على الشوارد السائلة. كان التحدي الرئيسي لاعتمادها على نطاق واسع هو البحث عن قدرة توصيل كافية للبطاريات الكبيرة، وكذلك طريقة التصنيع التي تسمح لتحقيق وفورات الحجم.

تحتوي جميع البطاريات على ثلاثة أجزاء أساسية: الأنود والكاثود والشوارد electrolyte. تعمل البطارية لأن الأيونات المشحونة تريد الانتقال من الكاثود إلى الأنود عبر الشوارد. يحدث هذا لأن مكونات البطارية المختارة بعناية تخلق تفاعلًا كيميائيًا ينتج إلكترونات حرة. نتيجة لذلك، تتراكم الشحنة الإيجابية على كاثود البطارية. هذا يجذب الإلكترونات الحرة سالبة الشحنة من الأنود. تلك الإلكترونات الحرة تريد الانتقال من الأنود إلى الكاثود. حين تقوم بذلك فإنها تقوم بتشغيل جهازك.

solid-state-batteries-diagram.png


فقط بعض المواد قادرة على العمل كبطاريات، لذلك يجب اختيار المكونات بعناية فائقة بناءً على خواصها الكيميائية. نتيجة لذلك، يتضمن تطوير تكنولوجيا البطارية إما تحسين كفاءة مادة البطارية الحالية أو اكتشاف مواد جديدة تعمل بشكل أفضل. وبما أننا بحثنا في جميع الأماكن الواضحة لإجراء تحسينات على البطارية، يتعين علينا الآن أن ننظر تحت صخور التكنولوجيا النانوية وعلوم المواد.

تعد البطاريات ذات الحالة الصلبة واحدة من الاكتشافات التي تمخضت عنها تلك العملية، باستخدام الشوارد المختلفة لتحقيق نفس الهدف مثل أي نوع آخر من البطاريات، ولكن أسرع وأرخص وأقل عرضة للانفجار.



وفقًا للباحثين بطارية الحالة الصلبة تنتج ثلاثة أضعاف كثافة الطاقة أكثر من بطارية ليثيوم أيون العادية. الصوديوم اللازم لتصنيع هذه البطاريات وفير، وهذا يقلل بشكل كبير من التأثير البيئي لإنتاج البطارية.

الحالة الصلبة على يمين الشاشة، والسائلة على يسارها



بطاريات الحالة الصلبة خفيفة الوزن، ولها تأثير بيئي منخفض، وتستخدم مكونات متواجدة بكثرة، أرخص في الإنتاج، ولها كثافة طاقة أعلى، وعمر أطول من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، قدرة شحن سريعة أفضل. دون أن ننسى أنها أقل عرضة لإشتعال النار وهذا بدوره يعني أن مصنعي السيارات الكهربائية يمكنهم صنع أنظمة تبريد أبسط وأقل تكلفة لحزم البطاريات الخاصة بهم، مما يقلل تكلفة السيارات الكهربائية EVs.

يعول على هذه التقنية في المستقبل القريب للتوسع أكثر في مجال النقل الجوي الكهربائي

Electric aircraft could significantly disrupt short-haul air transport within the next decade. How quickly will this technology affect conventional infrastructure? It is difficult to say given the many unknown factors. The uncertainties include step-change technologies, such as solid-state batteries, that could radically accelerate the uptake and capabilities of electric aircraft.




https://www.greenbiz.com/article/get-set-take-electric-aircraft-next-transport-disruption

شركات عملاقة في سباق للوصول إلى هدف انتاج بطاريات الحالة الصلبة في السنوات القليلة المقبلة


- فورد موتور بشراكة مع Solid Power

- BMW أيضا دخلت في شراكة مع Solid Power لتطوير بطاريات الحالة الصلبة

- QuantumScape تقوم بتطوير بطارية الحالة الصلبة بشراكة مع فولكسفاغن لتكون متوفرة بحلول 2025

- هيونداي ورونو - ميتسوبشي تستثمر في شركة Ionic Materials لبدء انتاج البطارية ذات الحالة الصلبة

- الحكومة اليابانية تمول برنامجا لمركز (Libtec) لانتاج بطاريات الحالة الصلبة، هذه المبادرة تجمع كبار مصنعي السيارات اليابانيين مثل تويوتا ونيسان وهوندا وشركات تصنيع البطاريات مثل باناسونيك وجي إس يواسا. (اليابان بدأ تخسر ريادتها في سوق بطاريات الليثيوم أيون فبعد أن كانت تسيطر على 70 ٪ من السوق سنة 2013، انخفضت حصتها في عام 2016 إلى 41٪ وفقا لمؤشر نيكي).

هدف Libtec هو سيارات كهربائية بمدى يفوق 800 كلم بحلول سنة 2030

- برعاية الحكومة، تحاول منظمة تطوير الطاقة والتكنولوجيا الصناعية الجديدة في اليابان (NEDO) أيضا الاستفادة من الأبحاث حول بطاريات الحالة الصلبة للسيارات الكهربائية وتستثمر 90 مليون دولار في بطاريات الحالة الصلبة. المبادرة تشترك فيها 23 شركة سيارات ومعدات وبطاريات، بالإضافة إلى 15 جامعة ومركز أبحاث.

تأمل الحكومة أن تكون التكنولوجيا جاهزة بحلول سنة 2022.
تم تحديد السعر المستهدف على مستوى العبوة لبطاريات السيارات الكهربائية عند 90 دولار / كيلوواط ساعة بحلول عام 2030 (ثلث قيمة البطاريات الحالية). الهدف الآخر هو إعادة الشحن في مدة 10 دقائق.

الشركاء المشاركون في هذا المشروع هم:

  • Toyota Motor Corporation
  • Nissan Motor Co., Ltd.
  • Honda R & D Laboratories
  • Panasonic Corporation
  • GS Yuasa Corporation
  • Hitachi Automotive Systems Co., Ltd.
  • Maxell Corporation
  • Murata Manufacturing Co., Ltd.
  • Yamaha Mr. Motor Co., Ltd.
  • Asahi Kasei Corporation
  • JSR Corporation
  • Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.
  • Dai Nippon Printing Co., Ltd.
  • Toppan Printing Co., Ltd.
  • Toray Industries, Ltd.
  • Nippon Shokubai
  • Fujifilm Corporation
  • Mitsui Chemicals Corporation
  • Mitsubishi Chemical Corporation
  • Kuraray Co., Ltd.
  • Nissan Chemical Industries Ltd.
  • Idemitsu Kosan Co., Ltd.
  • Mitsui Mining and Smelting Co.
  • National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
  • National Institute for Materials Science
  • National Institute of Physical and Chemical Research (RIKEN)
  • Osaka Industrial Technology Research Institute,
  • Kyushu University; Kyoto University
  • Gunma University; Tokyo Institute of Technology
  • Toyohashi University of Technology
  • Nagoya University
  • Hyogo University of Teacher Education
  • Hokkaido University
  • Osaka Prefecture University
  • Konan Gakuen
  • Japan Automobile Research Institute

بعد الحديث عن الأهداف المسطرة لبعض الشركات في مجال البطاريات الحالة الصلبة في ما يتعلق بالتكلفة لابد من استعراض تكلفة الانتاج الحالية لنفس البطارية

فقد أعلنت شركة (Charge CCCV (C4V أن لديها خلية بطارية تعمل بالحالة الصلبة ومن المقرر إنتاجها في الربع الثاني من عام 2019، عُرضت الخلية في 27 سبتمبر في مؤتمر نيويورك 2018. وقالت C4V أن الإصدار الحالي هو 380 واط / كجم و 700 واط / لتر، ولكن المزيد من التطوير سيزيد كثافة الطاقة إلى 400 واط / كجم و 750 واط / كجم.

تتوقع C4V أن السيارات الكهربائية يمكن زيادة مداها بنسبة 70٪ باستخدام بطاريات الحالة الصلبة.


وفقًا للبيان الصحفي للشركة، فإن الخلايا ليست في حالة صلبة تمامًا، حيث تم استبدال أكثر من 80٪ من الشوارد السائلة بشوارد صلبة، مما يجعل الخلايا حالة شبه صلبة.
 

anwaralsharrad

باحث عسكري
مستشار المنتدى
إنضم
12/12/18
المشاركات
1,501
مستوى التفاعل
9,478
كم أعشق هذه المواضيع العلمية التي تغذي العقل وتوسع مدارك الإنسان .. جزيل الشكر إستاذي على هذا الموضوع الرائع .. وسؤالي الآن، هل طرحت البطاريات الصلبة في الأسواق وتحديدا من أجل السيارات الكهربائية ؟
 

Lusius Quietus

التحالف يجمعنا
صقور التحالف
إنضم
12/12/18
المشاركات
1,864
مستوى التفاعل
8,078
كم أعشق هذه المواضيع العلمية التي تغذي العقل وتوسع مدارك الإنسان .. جزيل الشكر إستاذي على هذا الموضوع الرائع .. وسؤالي الآن، هل طرحت البطاريات الصلبة في الأسواق وتحديدا من أجل السيارات الكهربائية ؟

بشكل تجاري ليس بعد أستاذي أنور يمكنك القول أن الأبحاث في الموضوع مغلفة بالسرية، هناك سباق بين كبريات الشركات بشأن من يصل أولا إلى إنتاج بطارية الحالة الصلبة بكلفة منخفضة. يمكن ألقول أن من سيتحكم في تكنولوجيا Solid-State Batteries سيسود عالم صناعة السيارات ووسائل النقل، وطبعا مجالات أخرى ستستفيد من التقنية.
 

last-one

طاقم الإدارة
عضو مجلس الادارة
إنضم
11/12/18
المشاركات
5,643
مستوى التفاعل
16,862
بطاريات الحالة الصلبة Solid-State Batteries " , لديها العديد من المزايا على بطاريات الليثيوم العادية :

- طاقة أكبر تصل إلى ثلاثة أضعاف لنفس وزن بطاريات الليثيوم العادية .
- يمكن تصنيعها من مواد أرخص .
- لا تحتاج أنظمة المساعدة , مثل أنظمة التبريد المطلوبة في بطاريات الليثيوم الحالية .
- لا تحتاج إلى أنظمة الحماية من الحرائق .
- لديها عدد غير محدود من دورات التحميل والتفريغ .
- وقت الشحن أقصر .
- سعر أقل بكثير .
 

Lusius Quietus

التحالف يجمعنا
صقور التحالف
إنضم
12/12/18
المشاركات
1,864
مستوى التفاعل
8,078
بالنسبة للهواتف يمكن لبطارية الحالة الصلبة أن توفر المزايا التالية:

- شحن أسرع بمعدل يصل إلى ستة أضعاف
- كثافة طاقة من ضعفين إلى عشرة أضعاف
- طول عمر دورة يصل إلى 10 سنوات (مقارنة بسنتين للحالة السائلة)
- زوال خطورة اشتعال الهاتف
 

خالد

التحالف يجمعنا
طاقم الإدارة
مشرف عام
إنضم
21/5/19
المشاركات
15,800
مستوى التفاعل
45,270

تُعَدُّ بطَّاريَّات الحالة الصلبة أكثر أمانًا، إذ أنَّ بطَّاريَّات الليثيوم قابلة للاشتعال ومُعرَّضة للانفجار وارتفاع الحرارة، إلا أن بطَّاريَّات الحالة الصلبة تبقي أيونات الليثيوم في حالة غير قابلة للاشتعال وبظروف آمنة.


استثمار جديد
وفقًا لموقع أكسيوس، استثمرت شركات التقنية الضخمة مثل سامسونج ودايسون نحو 65 مليون دولار أمريكي فيشركة أيونيك ماتيريالز في ماساتشوستس. وتبدو ثقة الموقع بدقة الخبر صادمة لأنَّ معظم الناس لم تسمع قبلًا باسم هذه الشركة الصغيرة. لكن إن حقَّقت أيونيك ماتيريالز وعودها الأخيرة، فلا ريب أنَّ المبالغ التي أنفقتها تلك الشركات الضخمة ستعود بأرباح وفيرة. وتدَّعي شركة أيونيك ماتيريالز اقترابها من تصنيع بطَّارية حالة صلبة آمنة وفعَّالة.

تأسَّست الشركة في العام 1986، ويبدو أنَّها تحرز تقدُّمًا مُبهِرًا في تقنية بطَّاريَّات الحالة الصَّلبة. صَنَعت الشركة مادَّةً جديدةً - مبلمر كريستالي سائل – يستطيع حلَّ المشكلات التي تواجه طرح بطَّاريَّات الحالة الصَّلبة في الأسواق.

وزعم الباحثون في الشركة نجاحهم في إحراز ثلاثة اختراقات علميَّة. الأوَّل أنَّهم أكَّدوا أنَّ شوارد الليثوم تتدفَّق عبر مبلمراتهم بسرعة أكبر من تدفُّقها عبر الأنظمة السائلة التقليدية. وقد يبدو الأمر غريبًا في البداية لأنَّ المبلمرات موادّ صلبة، لكنَّه سيزيح عقبةً كبيرة إن كان صحيحًا.

الثاني هو أنَّ المادَّة التي أنتجوها تعمل بجهد خمسة فولطات، وتُصنع بسهولة وبتكلفة قليلة. أمَّا الثالث، فصرَّح الباحثون أنَّه على الرغم من تطلُّب بطَّاريَّات الحالة الصلبة درجات حرارة عالية -نحو 60 درجة مئوية- فإن بطَّاريتهم الصلبة تعمل في درجات حرارة أقل تساوي درجة حرارة الغرفة العاديَّة.

الحالة الصَّلبة
تتفوَّق أيونيك ماتيريالز عمومًا على الشركات المنافسة بموادّها الرخيصة وسهلة التصنيع. لكن ما الذي يميّز بطَّاريَّات الحالة الصلبة كي تحدث هذه الضجَّة؟

تُعَدُّ بطَّاريَّات الحالة الصلبة أكثر أمانًا، إذ أنَّ بطَّاريَّات الليثيوم قابلة للاشتعال ومُعرَّضة للانفجار وارتفاع الحرارة، إلا أن بطَّاريَّات الحالة الصلبة تبقي أيونات الليثيوم في حالة غير قابلة للاشتعال وبظروف آمنة.



قد تصبح السيَّارات الكهربائية أكثر كفاءةً من خلال الاعتماد على بطَّاريَّات الحالة الصلبة.
تُعَدُّ بطَّاريَّات الحالة الصلبة صغيرة الحجم ورخيصة الثمن أيضًا، ومقارنة ببطَّاريَّات الليثيوم فإنَّها تتمتَّع بسعة أكبر ويُعاد شحنُها في زمن أقصر وتدوم عمرًا أطول وتؤدّي أداءً أفضل عمومًا. ولا ريب أنَّها ستسهم في تحسين كفاءة الهواتف الذكيَّة والسيَّارات الكهربائية.

لكنَّ أكبر تحدٍّ يواجه تصنيع بطَّاريَّات الحالة الصلبة هو اكتشاف مادَّة تتمتَّع بخصائص ملائمة. وإن صدقت شركة أيونيك ماتيريالز في ادّعائاتها فنصبح أقرب إلى طرح هذه التقنية في الأسواق. لم تنشر الشركة تفاصيل رسميَّة عن تقنيتها بعد، لذا ما زال عدد من الباحثين غير واثقين من قدرة الشركة على تصنيع منتج فعَّال مثلما قال موقع أكسيوس.

 
أعلى