ما هي بطاريات الحالة الصلبة؟

في وقت مبكر من شهر مايو من هذا العام، قامت العديد من وسائل الإعلام بالترويج لمشروع بطارية الحالة الصلبة الذي تبلغ تكلفته 6 مليارات دولار.

وبعد ذلك، أعلنت بعض شركات بطاريات الحالة الصلبة أنها ستقوم بتصنيع بطاريات الحالة الصلبة بالكامل في عام 2027. وتلا ذلك مؤتمرات صحفية مختلفة للإعلان عن مدى ارتفاع كثافة الطاقة وأداء الدورة. يمكن للمرء في كثير من الأحيان سماع كثافة الطاقة لخلية واحدة تابعة لشركة معينة تبلغ 700+Wh/kg.

إذًا، ما هي بطارية الحالة الصلبة بالضبط؟ ما هو المستوى الذي وصل إليه السوق الآن؟ وبعد التواصل مع العديد من الأصدقاء من حولي، وجدت أن المفهوم الأول الذي يسهل الخلط بينه وبين بطاريات الحالة الصلبة هو شبه الصلبة والصلبة بالكامل.

يمكن القول أن جميع ما يسمى ببطاريات الحالة الصلبة المتداولة حاليًا في السوق تقريبًا هي بطاريات شبه صلبة، أي خليط صلب وسائل. ومع ذلك، بعد تفكيك العديد من بطاريات الحالة الصلبة، وجد أن ما يسمى بالخليط الصلب والسائل يصعب رؤيته بالفعل، وهو تقريبًا نفس حالة البطاريات السائلة. وحتى من خلال بعض الأوصاف الدقيقة، من الصعب العثور على أدلة.

هناك شركتان صينيتان تمثيليتان: Qingtao وWeilan. النظام الرئيسي في تشينغتاو هو فوسفات حديد الليثيوم (بالطبع لديهم أيضًا نظام ثلاثي)، ويتم تمثيل ويلان بالثلاثي (بالطبع لديهم أيضًا ليثيوم حديد). الأول هو في الأساس تكنولوجيا طلاء السيراميك، ويتم الإعلان عن الأخير على أنه تكنولوجيا المعالجة في الموقع (يتم التركيز على الدعاية). ويقال إن مدينة تشينغتاو لديها حاليًا خلايا متداولة بقدرة 380 وات/كجم، وتبيع شركة Weilan حاليًا خلايا بقدرة 350 وات/كجم بسعة 110 أمبير.

ماذا عن بطاريات الحالة الصلبة بالكامل؟ تنقسم جميع بطاريات الحالة الصلبة بشكل أساسي إلى أكاسيد وبوليمرات وكبريتيدات (بالطبع هناك أيضًا هاليدات). انطلاقًا من حالة التطوير الحالية للشركات الرائدة بشكل عام، فإن مسار التكنولوجيا بأكمله هو الكبريتيد. إن ما يسمى ببطارية الحالة الصلبة الكبريتيدية هي في الواقع مزيج من مواد القطب الموجب والسالب مع إلكتروليتات وعوامل موصلة رابط لتشكيل قطب كهربائي موجب (بالطبع هناك طرق جافة ورطبة)، ثم المنحل بالكهرباء وكمية صغيرة من يتم خلط المادة الرابطة لتشكيل فيلم (بالطبع هناك طرق جافة ورطبة). إذا كانت الطريقة مبللة، يكون نظام الكبريتيد حساسًا جدًا لنظام المذيبات، وبالطبع يلزم وجود رابط خاص. وأخيرًا، يتم تكديس الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة وغشاء الإلكتروليت طبقة بعد طبقة لتشكيل خلية بطارية صلبة بالكامل. ولكل من هذه العمليات فجوة تمنع تصنيع بطاريات الحالة الصلبة بالكامل.

الشيء الثاني الذي يسهل الخلط بينه هو بطارية الحالة الصلبة=ذات الأمان العالي وكثافة الطاقة العالية

وهذا سوء فهم كبير لمعظم الناس، بما في ذلك العاملين في الصناعة. إنهم يعتقدون أن بطاريات الحالة الصلبة بالكامل تتمتع بكثافة طاقة عالية. غالبًا ما يعلق العديد من الأشخاص خارج الصناعة آمالهم على بطاريات الحالة الصلبة بالكامل، وغالبًا ما يقولون "لن يكون هناك سائل عندما تخرج بطاريات الحالة الصلبة بالكامل". في الواقع، هذا ليس هو الحال. لفهم هذا المنطق، يجب علينا أولاً أن نبدأ من مفهوم كثافة الطاقة: كثافة الطاقة=طاقة/وزن، ويتم تحديد الطاقة من خلال المادة نفسها، وبالتالي يتم تحديد كثافة طاقة خلية البطارية من خلال نظام المادة من البطارية.

تبلغ بطاريات الحديد والليثيوم حاليًا 180 واط ساعة / كجم. نظرًا لأن البطاريات الثلاثية مقسمة إلى العديد من الأنظمة، فإن كثافة الطاقة الخاصة بها تتراوح بشكل أساسي بين 240-360 أو حتى 380 وات ساعة/كجم (أكثر من 285 وات ساعة/كجم تتطلب مواد قائمة على السيليكون). وبطبيعة الحال، فإن نظام أكسيد الكوبالت الليثيوم هو في الأساس أكثر من 200 كثافة طاقة. الآن وصلت العديد من الدعاية لكثافة الطاقة في السوق إلى 450 أو 500 أو 600 أو حتى 700 واط ساعة/كجم أو أكثر. في الأساس، مادة القطب السالب هي معدن الليثيوم أو لا يوجد قطب كهربائي سالب. هذه هي الحالة العامة لكثافة الطاقة. لم يتم فصل مواد القطب الموجب والسالب للبطاريات ذات الحالة الصلبة بالكامل عن المواد الخام السائلة. ولذلك، فإن كثافة الطاقة لجميع بطاريات الحالة الصلبة لن تكون أعلى من كثافة البطاريات السائلة.

إن القيمة العالية التي يتحدث عنها الجميع تعتمد في الواقع على توقع أن بطاريات الحالة الصلبة بالكامل يمكنها استخدام أقطاب كهربائية سالبة من معدن الليثيوم لتحقيق كثافة طاقة عالية لخلية البطارية بعد حل مشكلة السلامة، لكن هذه الصعوبة لا تقل عن حل المشكلة. مشكلة سلامة بطاريات معدن الليثيوم السائل. لذلك، لا يمكن القول بأن كثافة الطاقة لبطاريات الحالة الصلبة منخفضة. على العكس من ذلك، من حالة التطوير الفعلية، ستكون كثافة الطاقة لجميع بطاريات الحالة الصلبة أقل. الأول يأتي من تطبيق مواد نظام عالية الطاقة، والثاني يأتي من نسبة المواد الفعالة، والثالث يأتي من سمك غشاء الإلكتروليت، والرابع يأتي من مشكلة عدم دفع الجميع الكثير من الاهتمام في الوقت الحاضر. يتطلب تشغيل بطاريات الحالة الصلبة بالكامل مشبكًا عالي الضغط. سيزيد المشبك من وزن المعدات الكهربائية أثناء الاستخدام الفعلي، مما يقلل من الاستفادة من كثافة الطاقة لخلية البطارية إلى حد ما.

بشكل عام، أدت بطاريات الحالة الصلبة بالكامل إلى تحسين السلامة بشكل كبير (توجد اختبارات فعلية)، ولكن باعتبارها بطارية كبريتيد صلبة تحتوي على مواد تغليف ناعمة، فإن الكبريتيد بحد ذاته مادة ذات مخاطر كبيرة على السلامة. ثانيًا، إن تحسين سلامة بطاريات الحالة الصلبة بالكامل محدود أيضًا. إنها ليست آمنة بطبيعتها. إلى حد ما، لا يزال من الممكن أن يؤدي ذلك إلى الهروب الحراري للبطارية.

ما ورد أعلاه هو فهم عياني نسبيًا لبطاريات الحالة الصلبة الحالية، بما في ذلك الحالة الصلبة بالكامل والحالة شبه الصلبة. وبطبيعة الحال، على المدى الطويل، كل الدولة الصلبة لا تزال متفائلة. ومن الوضع الحالي، فإن صعوبة حل مشاكل السلامة الخاصة بالبطاريات السائلة عالية الطاقة ليست بالضرورة أقل من صعوبة تطوير جيل جديد من بطاريات الحالة الصلبة عالية الأمان. وأعتقد أنه من خلال الجهود المشتركة للسلاسل الصناعية الأولية والنهائية، يمكننا اختراق الوضع الراهن وتحقيق الثورة.

ملحوظة: معظم المقالات المعاد طباعتها على هذا الموقع تم جمعها من الإنترنت. حقوق الطبع والنشر للمقالات تعود للمؤلف الأصلي والمصدر الأصلي. الآراء الواردة في المقال للمشاركة والتواصل فقط. إذا كانت هناك أية مشكلات متعلقة بحقوق الطبع والنشر، فيرجى إبلاغي بذلك وسأتعامل معها في الوقت المناسب.