في الموجة الحالية من التطور القوي لتقنيات الطاقة الجديدة ، جذبت بطارية الحالة الصلبة ، باعتبارها تقنية بطارية من الجيل التالي للغاية ، اهتمامًا كبيرًا من جميع مناحي الحياة. مع استمرار زيادة متطلبات الأشخاص لتحمل الأجهزة الإلكترونية ومجموعة القيادة من السيارات الكهربائية ، ويزداد تركيزهم على أداء سلامة البطارية يومًا بعد يوم ، ومن المتوقع أن يعالج بطارية الحالة الصلبة العديد من نقاط الألم من بطاريات ليثيوم أيون السائل التقليدية من حيث السلامة والنطاق. ومع ذلك ، قبل تعميمها وتطبيقها على نطاق واسع ، يطبق السؤال الرئيسي في أذهان المستهلكين: هل بطارية الحالة الصلبة آمنة وقادرة على توفير المدى الطويل؟ للإجابة على هذا السؤال ، نحتاج إلى الخوض في آلية العمل والخصائص الفنية وحالة البحث الحالية وحالة التطبيق لبطاريات الحالة الصلبة.
مبدأ العمل والخصائص الهيكلية لبطارية الحالة الصلبة
يكمن الفرق الأساسي بين بطارية الحالة الصلبة وبطارية ليثيوم أيون السائل التقليدية في شكل المنحل بالكهرباء. تستخدم بطاريات ليثيوم أيون السائل التقليدية المنحل بالكهرباء السائلة لتحقيق عملية الشحن والتفريغ من خلال حركة أيونات الليثيوم بين الأقطاب الإيجابية والسلبية. في المقابل ، تستخدم بطاريات الحالة الصلبة المنحل بالكهرباء الصلبة ، والتي تتكون عادةً من مواد السيراميك أو البوليمر أو الكبريتيد. في بطاريات الحالة الصلبة ، تنزل أيونات الليثيوم أيضًا عن القطب الإيجابي أثناء الشحن والانقضان في القطب السلبي من خلال المنحل بالكهرباء الصلبة ؛ أثناء التفريغ ، يتحركون في الاتجاه المعاكس ، بينما تتدفق الإلكترونات من القطب السلبي إلى القطب الموجب من خلال الدائرة الخارجية ، مما يولد التيار لتشغيل الجهاز.
يمنح استخدام المنحل بالكهرباء الصلبة بطاريات الحالة الصلبة ذات الخصائص الهيكلية الفريدة. بالمقارنة مع المنحل بالكهرباء السائل ، الذي يتطلب فاصلًا لمنع دائرة القصيرة بين الأقطاب الإيجابية والسلبية ، فإن المنحل بالكهرباء الصلبة نفسه له وظائف مزدوجة لتوصيل الأيونات وعزل القطب ، مما يجعل بنية البطارية أكثر إحكاما. وفي الوقت نفسه ، يظهر المنحل بالكهرباء الصلبة ثباتًا أعلى وأقل عرضة للتطاير والتسرب ، مما يضع أساسًا لتحسين أداء سلامة البطارية.
أداء أمان بطارية الحالة الصلبة
تشكل بطاريات ليثيوم أيون السائل التقليدية خطر الهروب الحراري في ظل ظروف درجات الحرارة العالية. عندما تتجاوز درجة حرارة البطارية عتبة معينة ، مثل 80 درجة ، قد تتحلل المنحل بالكهرباء السائل لإنتاج غازات قابلة للاشتعال ، وتكثيف التفاعلات الجانبية داخل البطارية ، مما يؤدي إلى تراكم سريع للحرارة ويتسبب في نهاية المطاف في اللحاق بالبطارية أو تنفجر. بيانات من وكالة اختبار Tüv الألمانية تكشف بوضوح هذا الخطر الخفي.
تظهر بطاريات الحالة الصلبة مزايا كبيرة في الاستقرار الحراري. بسبب عدم وجود مكونات سائلة متقلبة وقابلة للاشتعال في المنحل بالكهرباء الصلبة ، يكون استقراره الحراري أعلى بكثير من استقرار المنحل بالكهرباء السائل. يعد اختبار الثقب الذي أجرته مؤسسة تطوير الطاقة والتكنولوجيا الصناعية الجديدة (NEDO) في اليابان مثيرًا للإعجاب: عندما تثقب إبرة الصلب بطارية الحالة الصلبة ، ترتفع درجة حرارة البطارية فقط بمقدار 2 درجة ، في حين أن بطارية ليثيوم أيون السائل التقليدية ستنفجر في غضون 3 ثوانٍ فقط. توضح هذه النتيجة التجريبية بصريًا السلامة الفائقة لبطاريات الحالة الصلبة في مواجهة الإساءة الميكانيكية الشديدة.
في ورقة بعنوان "هل بطاريات الحالة الصلبة أكثر أمانًا من بطاريات ليثيوم أيون (السائلة)؟" نُشر الباحثون في العلوم في أبريل 2022 ، حدود إطلاق الحرارة وارتفاع درجة الحرارة لبطاريات ليثيوم أيون السائل ، والبطاريات شبه الصلبة مع كمية معينة من المنحل بالكهرباء ، وبطاريات الحالة الصلبة بالكامل تحت ثلاث سيناريوهات هاربة حرارية. وجدت الدراسة أنه في الحالة الحرارية الناجمة عن التدفئة الخارجية ، تتفوق بطاريات الدولة الصلبة على بطاريات ليثيوم أيون شبه الصلبة. يمكن أن تشكل الكثافة العالية للكهرباء الصلبة في بطاريات الحالة الصلبة جميعها حاجزًا فعالًا للغاز ، مما يمنع التلامس بين الليثيوم على القطب السلبي والأكسجين المنبعث من القطب الإيجابي. في هذا السيناريو الافتراضي ، لن يكون هناك إطلاق حراري كبير.
تثبيط نمو شجيرة الليثيوم
أثناء عملية الشحن والتفريغ لبطاريات ليثيوم أيون السائل التقليدية ، قد تتبلور أيونات الليثيوم مباشرة على سطح القطب السلبي أثناء الشحن السريع ، وتشكيل شجيري ليثيوم خطير. لا يؤدي نمو التشعبات الليثيوم فقط إلى تحلل سعة البطارية ولكن قد يثقل الفاصل أيضًا ، مما يسبب ماسورة قصيرة بين الأقطاب الإيجابية والسلبية وتسبب حادث أمان. تم الكشف عن هذا الخطر الخفي من قبل المهندسين من CATL.
تُظهر بطاريات الحالة الصلبة إمكانات في تثبيط نمو شجيري الليثيوم. يمكن للهيكل الخاص وخصائص المنحل بالكهرباء الصلبة أن يوفر مسارًا أكثر اتساقًا للهجرة الأيونية الليثيوم ، مما يقلل من إمكانية تكوين التغصن الليثيوم. على الرغم من القضاء على نمو شجيري الليثيوم تمامًا ، لا يزال يمثل تحديات في التطبيقات العملية ، إلا أن اتجاه تحسين بطاريات الحالة الصلبة في هذا الصدد واضح مقارنة ببطاريات ليثيوم أيون السائل.
مخاطر السلامة المحتملة
على الرغم من العديد من مزايا بطاريات الحالة الصلبة من حيث السلامة ، فهي ليست آمنة على الإطلاق. في بعض الحالات القصوى ، مثل عندما تفشل المنحل بالكهرباء الصلبة أو تخترق شجيري الليثيوم المنحل بالكهرباء الصلبة ، مما يسبب ماسورة قصيرة ، فإن سلامة بطاريات الحالة الصلبة والبطاريات شبه الصلبة لا تتفوق على تلك الموجودة في بطاريات الليثيوم السائلة. يشير البروفيسور AI Xinping من كلية الكيمياء والعلوم الجزيئية بجامعة ووهان إلى أن الادعاء بأن بطاريات الدولة الصلبة لها كل من كثافة الطاقة العالية وتتضمن سلامة جيدة في الواقع خفة مفاهيمية. نظرًا لأن بعض المواد في بطاريات الحالة الصلبة قد تنتج غازات سامة مثل كبريتيد الهيدروجين في حالة وقوع حادث ، على الرغم من أنها لن تحرق أشخاصًا مباشرة مثل البطاريات التقليدية ، فإن غاز كبريتيد الهيدروجين سام ويمكن أن يسبب ضررًا خطيرًا للجسم البشري.
إمكانية بطارية الحالة الصلبة في المدى
من الناحية النظرية ، فإن بطاريات الحالة الصلبة لديها القدرة على تحقيق كثافة عالية الطاقة ، والتي من المتوقع أن تعزز بشكل كبير من القدرة على التحمل للأجهزة. يسمح المنحل بالكهرباء الصلبة باستخدام الليثيوم المعدني النقي كقطب سلبي ، مما يزيد بشكل كبير من سعة تخزين الطاقة لكل وحدة حجم. تُظهر البيانات التجريبية من معهد تشينغداو للتكنولوجيا الحيوية وتكنولوجيا المعالجة الحيوية في الأكاديمية الصينية للعلوم أن كثافة الطاقة لعينات بطارية الحالة الصلبة قد تجاوزت 500WH\/كجم ، في حين أن كثافة الطاقة للبطارية 21700 المستخدمة في Tesla Model 3 هي فقط 260WH\/KG.
أخذ السيارات الكهربائية كمثال ، كان نطاق القيادة دائمًا محور اهتمام المستهلك. بطارية Kunpeng من Chery ، كممثل لبطاريات الحالة الصلبة ، تخطط لتحقيق كثافة الطاقة 400WH\/كجم في عام 2024 وزيادةها إلى 600WH\/KG في عام 2025. ووفقًا للخطة ، عند إنتاجها في عام 2027 ، من المتوقع أن يتجاوز نطاق القيادة الكهربائية النقية 1500 كيلو متر. إذا تم تحقيق هذه الأهداف ، فستخفف بشكل كبير من نطاق قلق مستخدمي المركبات الكهربائية.
التحديات في النطاق الفعلي
ومع ذلك ، من المختبر إلى التطبيقات العملية ، لا تزال بطاريات الحالة الصلبة تواجه بعض التحديات من حيث النطاق. أولاً ، تعتبر مقاومة الواجهة بين المنحل بالكهرباء الصلبة والأقطاب أقطاب بارزة نسبيًا ، والتي تشبه إنشاء كشك على الطريق السريع ، مما يعيق النقل السريع لأيونات الليثيوم ويؤثر على كفاءة الشحن والتفريغ للبطارية ، مما يؤثر بشكل سلبي على المدى. ثانياً ، لا يزيد العيب المميت للكهرباء الكبريتيد ، الذي ينتج كبريتيد الهيدروجين شديدة السمية عند تعرضه للماء ، فحسب من مخاطر السلامة أثناء إنتاج البطارية واستخدامها ولكنه يشكل أيضًا تحديات شديدة على استقرار البطارية وموثوقية. بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي انخفاض العائد لإعداد الأفلام الصلبة في الإلكتروليت إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج على نطاق واسع ، مما يحد من التطبيق الواسع النطاق لبطاريات الحالة الصلبة والتأثير بشكل غير مباشر على عملية إظهار مزاياها بعيدة المدى في السوق.
الخلاصة والتوقعات
باختصار ، تُظهر بطاريات الحالة الصلبة إمكانات كبيرة من حيث السلامة والنطاق. من حيث السلامة ، تكون مزايا الاستقرار الحراري واضحة ، ويمكن أن تمنع بشكل فعال نمو شجيري الليثيوم ، مما يجعلها أكثر أمانًا وموثوقية من بطاريات ليثيوم أيون السائل التقليدية في معظم الحالات. ومع ذلك ، في مواجهة المواقف المتطرفة مثل فشل المنحل بالكهرباء الصلبة ، لا تزال هناك مخاطر سلامة معينة. من حيث النطاق ، توفر الميزة النظرية لكثافة الطاقة العالية إمكانية المدى الطويل ، وبعض البيانات التجريبية وخطط الشركات تظهر أيضًا آفاقًا واعدة. ومع ذلك ، في التطبيقات العملية ، أصبحت قضايا مثل مقاومة الواجهة ، وعيوب الإلكتروليت ، والتكلفة عقبات تعيق الإدراك الكامل لمزاياها بعيدة المدى.
على الرغم من مواجهة العديد من التحديات ، لا تزال بطاريات الحالة الصلبة تعتبر اتجاهًا مهمًا للتطوير لتقنيات البطارية من الجيل التالي.