تشهد البطاريات تحولاً جذرياً: فبينما لا تزال بطاريات الليثيوم أيون تهيمن على السوق، بدأت تقنيات بطاريات جديدة بالانتشار ، ساعيةً إلى تحقيق مستويات أمان أعلى، وعمر أطول، وتكيف أفضل مع استخدامات محددة للغاية، بدءاً من المركبات الكهربائية وصولاً إلى تخزين كميات هائلة من الطاقة المتجددة. في غضون سنوات قليلة، قد يختلف المشهد تماماً عما هو عليه اليوم.
من بين المقترحات التي تحظى باهتمام متزايد، بطاريات الزنك واليود المائية ، المصممة للمنشآت الثابتة الكبيرة، وبطاريات الحالة الصلبة ذات الكثافة الطاقية العالية جدًا ، والتي من شأنها تحسين مدى المركبات الكهربائية بشكل ملحوظ. ويأتي جزء كبير من هذا الزخم من مراكز الأبحاث والشركات المصنعة الآسيوية، ولكن سيمتد تأثيره أيضًا إلى أوروبا.
بطاريات الزنك واليود المائية الجديدة: أكثر أمانًا وذات عمر افتراضي طويل للغاية
كشف فريق من الباحثين من جامعة فليندرز (أستراليا) عن بطارية زنك-يود مائية تُقدم نهجًا مختلفًا عن خلايا الليثيوم أيون التقليدية. فبدلاً من استخدام الإلكتروليتات العضوية القابلة للاشتعال، تستخدم هذه التقنية إلكتروليتًا مائيًا ، مما يقلل بشكل كبير من خطر ارتفاع درجة الحرارة والحرائق الناجمة عن الهروب الحراري.
بطاريات الزنك واليود ليست فكرة جديدة؛ فقد خضعت للدراسة لعقود . ومع ذلك، فقد أعاق اعتمادها مشكلة محددة: إزاحة متعدد اليود، وهي ظاهرة كيميائية تتسبب في هجرة اليود عبر فاصل الخلية، مما يؤدي إلى تدهور سريع للبطارية مع الاستخدام المستمر.
تغلب الفريق الأسترالي على هذه العقبة بتصميم "قفص" جزيئي قادر على احتجاز مركبات اليود دون إعاقة التفاعلات الكهروكيميائية اللازمة. ولتحقيق ذلك، استخدموا بوليمرات مشتقة من السيكلودكسترينات ، وهي جزيئات حلقية من النشا، تُستخدم منذ سنوات في قطاعات مثل الأغذية ومستحضرات التجميل، وتجد الآن تطبيقًا مختلفًا في مجال تخزين الطاقة.
تتميز هذه السيكلودكسترينات بسطح خارجي محب للماء وتجويف داخلي كاره للماء. يسمح هذا المزيج باحتجاز متعددات اليود داخل بنية البوليمر، مما يمنعها من الحركة بحرية داخل البطارية. والنتيجة هي نظام يحد من حركة هذه الأنواع من اليود، أحد العوامل الرئيسية المسببة لتآكل بطاريات الزنك واليود التي دُرست حتى الآن.
البيانات الفنية: دورات الشحن، والسعة، وأوقات الشحن
أظهرت الاختبارات المعملية أداءً استثنائياً لهذا النوع من التكنولوجيا. ففي أحد التكوينات المختبرة، حققت البطارية سعة نوعية تتراوح بين 200 و205 مللي أمبير/غرام لحوالي 8.000 دورة شحن كاملة، مع أوقات إعادة شحن تبلغ حوالي سبع دقائق من الصفر إلى الشحن الكامل.
في نسخة أخرى مصممة لزيادة عمر البطارية إلى أقصى حد، يحقق النظام 60.000 دورة شحن وتفريغ ، محافظًا على سعة تبلغ حوالي 150 مللي أمبير/غرام. في هذه الحالة، يتم تقليل وقت الشحن الكامل إلى حوالي ثلاث دقائق ، وهو رقم أقل بكثير مما تسمح به العديد من البطاريات الحالية.
بحسب الوثائق الفنية، تعمل هذه الخلايا بجهد يتراوح بين 1,3 و1,4 فولت ، وتُظهر تدهورًا طفيفًا للغاية في كل دورة، يُقدّر بنسبة تتراوح بين 0,0001% و0,0003% خلال الاختبارات الأولية. من المهم التذكير بأن هذه نماذج أولية مخبرية صغيرة الحجم ، لذا يبقى أن نرى كيف سيكون أداؤها عند تطبيق التصميم في بطاريات أكبر وفي بيئات استخدام واقعية.
يكمن سر هذا التطور في الجمع بين عمر افتراضي طويل للغاية ووقت شحن قصير جدًا ، وهو أمر بالغ الأهمية في التطبيقات التي تتكرر فيها دورات الشحن والتفريغ باستمرار طوال اليوم. بالنسبة لشبكات الكهرباء التي تعتمد بشكل كبير على مصادر الطاقة المتجددة، أو لأنظمة الطاقة الاحتياطية، قد يكون امتلاك بطارية قادرة على تحمل عشرات الآلاف من دورات الشحن والتفريغ أكثر أهمية من زيادة كثافة الطاقة إلى أقصى حد.
الأمان والقيود والتطبيقات: لماذا لن نراه على هاتفك المحمول
يوفر استخدام الإلكتروليت المائي ميزة أمان واضحة. فعلى عكس الإلكتروليتات العضوية القابلة للاشتعال المستخدمة في العديد من بطاريات الليثيوم أيون، يقلل الماء بشكل كبير من خطر نشوب الحرائق والهروب الحراري، وهو ما يمثل مصدر قلق لكل من الأجهزة المحمولة والمنشآت واسعة النطاق.
مع ذلك، تعاني بطارية الزنك واليود الجديدة هذه من عيبٍ كبير عند النظر في استخدامها في الهواتف الذكية أو الأجهزة اللوحية أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة : فكثافة طاقتها الحجمية أقل من كثافة خلايا الليثيوم أيون الحالية. ولتخزين نفس كمية الطاقة، سيتطلب الأمر حجمًا أكبر، مما ينتج عنه بطاريات أكبر حجمًا، وبالتالي أجهزة أكثر سمكًا أو وزنًا.
لهذا السبب، يستبعد الباحثون أنفسهم إمكانية استبدال هذه التقنية لبطاريات الليثيوم في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية على المدى القريب . وتتجه خطتهم بوضوح نحو تخزين الطاقة الثابت على نطاق واسع ، وهو مجالٌ تقل فيه أهمية الحجم والوزن عن المتانة والسلامة وتكلفة الدورة الواحدة.
على وجه التحديد، ذُكرت تطبيقات هذه التقنية في منشآت الطاقة المتجددة ، مثل محطات الطاقة الشمسية ومزارع الرياح، ومرافق تخزين الطاقة المتصلة بشبكة الكهرباء، والأنظمة القادرة على تخفيف ذروة الطلب. في أوروبا، حيث يُعدّ دمج مصادر الطاقة المتجددة أولوية، يمكن أن تتناسب هذه الحلول مع مشاريع تتضمن أنظمة احتياطية للبطاريات للشبكة ، ومحطات الشحن فائق السرعة، أو مرافق التخزين البلدية.
على الرغم من أن هذه التقنية لا تزال في مراحلها الأولى، إلا أن العمل الذي أُجري في أستراليا يُظهر أن كيمياء الزنك واليود لا تزال قابلة للتطوير. وإذا ما ترسخت هذه التقنية، فبإمكانها أن تُكمّل المقترحات الناشئة الأخرى في مجال تخزين الطاقة الثابتة، مثل بطاريات التدفق أو الحلول القائمة على الصوديوم، مما يُوسّع نطاق الخيارات المتاحة لتشمل ما هو أبعد من بطاريات الليثيوم أيون.
سباق نحو بطاريات الحالة الصلبة: قفزة الكثافة القادمة من الصين
بينما تستهدف بطاريات الزنك واليود في المقام الأول شبكات الكهرباء ومشاريع البنية التحتية الضخمة، فإن الاتجاه الرئيسي الآخر في تكنولوجيا البطاريات الجديدة يركز على المركبات الكهربائية. وقد أصبحت بطاريات الحالة الصلبة الأمل الأكبر لتحقيق قفزة نوعية في المدى والسلامة والعمر الافتراضي مقارنةً بخلايا الليثيوم أيون التقليدية.
حددت شركات تصنيع صينية رائدة مثل BYD وCATL وجيلي عام 2027 كعام محوري للانتقال من النماذج الأولية المختبرية والاختبارات على دفعات صغيرة إلى أولى التطبيقات العملية في المركبات. وانضمت شركات أخرى منتجة للبطاريات، مثل فاراسيس إنرجي وكالب وجوتيون هاي-تك ، إلى هذا التوجه، إلى جانب شركات ناشئة ترى في هذه التقنية فرصة سانحة للنمو والانتشار.
يتمثل الهدف المشترك في تطوير خلايا قادرة على توفير كثافة طاقة أعلى دون زيادة حجم أو وزن حزمة البطارية، مع تقليل خطر الانهيار الحراري وتحسين الاستقرار الكيميائي للمواد. عمليًا، سيُترجم هذا إلى سيارات ذات مدى أطول لكل شحنة ، وإمكانية إعادة شحن أسرع، ومتانة أكبر، سواءً من حيث عدد دورات الشحن أو سنوات الاستخدام المكثف.
إن أهمية هذه الخطوة تتجاوز السوق الصينية: فأوروبا تعتمد بشكل كبير على البطاريات المنتجة في آسيا، وأي تقدم كبير في تكنولوجيا الحالة الصلبة سيؤثر على تطور صناعة السيارات الأوروبية وخططها للانتقال إلى السيارات الكهربائية.
جيلي والسباق للوصول إلى أول بطاريات بقدرة 500 واط/كجم
من بين أبرز المشاريع مشروع شركة جيلي ، التي كشفت النقاب عن جيل جديد من بطاريات الحالة الصلبة بكثافة طاقة معلنة تصل إلى 500 واط/كغ . هذا الرقم، في بعض الحالات، يضاعف مدى العديد من بطاريات NMC الحالية، والتي تتراوح عادةً بين 250 و300 واط/كغ.
تتيح هذه الكثافة، من جهة، تخزين كمية أكبر من الطاقة بكتلة مماثلة، ومن جهة أخرى، تقليل وزن البطارية مع الحفاظ على السعة نفسها، مما يُحسّن كفاءة السيارة بشكل عام. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تصبح بطارية سعتها 80 كيلوواط/ساعة، والتي يبلغ وزنها حاليًا 450 كيلوغرامًا أو أكثر، أخف وزنًا بشكل ملحوظ، مما يؤثر بشكل مباشر على استهلاك الوقود، لا سيما في البيئات الحضرية حيث يكون للتسارع المتكرر تأثير أكبر.
عرضت جيلي بعضًا من هذه التقنية في معارض تجارية متخصصة، وأشارت إلى أن بطارياتها تستخدم إلكتروليت كبريت صلب ، أي مادة غير عضوية تحل محل الإلكتروليت السائل التقليدي. ولم تُفصح الشركة بعد عن تفاصيل التركيب الكيميائي الدقيق للأقطاب الكهربائية، أو سعة البطاريات بالكيلوواط/ساعة التي تخطط لتجميعها، أو دورة الاعتماد المحددة للطرازات المعلن عنها.
تعتزم المجموعة بدء اختبارات القيادة والإنتاج التجريبي في عام 2027 تقريبًا، باستخدام سيارات من عدة علامات تجارية تابعة لها، بما في ذلك فولفو، وبولستار، وزيكر، ولينك آند كو، ولوتس، وسمارت. لم يتم تأكيد عدد الوحدات أو الطرازات المحددة بعد، ولكن النهج المتبع يتضمن إطلاق سلاسل محدودة أولًا، غالبًا ضمن فئات سعرية أعلى قادرة على استيعاب التكلفة الإضافية الأولية.
إضافةً إلى المدى، تشير جيلي إلى عمر افتراضي قد يصل إلى مليون كيلومتر في بعض الحالات، وهو رقم من شأنه، في حال تحقيقه، أن يقلل المخاوف بشأن التدهور على المدى الطويل. ويضم المشروع شركاء مثل شركة داو، المشاركة في تطوير مواد لاصقة ومواد قادرة على الحفاظ على خصائصها عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، من حوالي -40 إلى +120 درجة مئوية، وهو أمر بالغ الأهمية لاستقرار حزم البطاريات في المناخات شديدة البرودة أو شديدة الحرارة.
الصين تحدد عام 2027 كعام محوري للإلكتروليت الصلب
وبغض النظر عن حالة جيلي تحديداً، يُظهر المشهد الصيني تقارباً ملحوظاً نحو تاريخ 2027 المستهدف. فقد سجلت شركة BYD براءات اختراع متعلقة ببطاريات الحالة الصلبة، وأشارت إلى أن العام نفسه سيشهد أولى عروضها التجريبية للسيارات. كما أبلغت شركة CATL، الرائدة عالمياً في مجال توريد البطاريات، مستثمريها بأنها تعمل على جعل عام 2027 التاريخ المستهدف للإنتاج التجريبي.
في غضون ذلك، حددت شركات تصنيع مثل CALB وGotion High-Tech وFarasis Energy هذه الفترة الزمنية كأفضل وقت لإطلاق برامجها لاختبار المركبات الكهربائية على الطرق. وتخطط CALB، ثالث أكبر شركة في السوق الصينية من حيث الحصة السوقية، لبدء اختبارات محدودة النطاق للمركبات الكهربائية، ثم زيادة الإنتاج تدريجياً بحلول النصف الأول من العقد المقبل.
تركز شركة غوتيون هاي-تك، المدعومة من فولكس فاجن ، جهودها على بطاريات الحالة الصلبة ذات الكثافة المستهدفة في حدود 350 واط/كجم ، بهدف دمج دفعات صغيرة في المركبات التجريبية بدءًا من عام 2027 والانتقال إلى الإنتاج التجاري بين عامي 2029 و2030. وتعمل شركة فاراسيس إنرجي، المرتبطة بمرسيدس-بنز، وفق جدول زمني مماثل، حيث تستهدف عام 2030 لبدء الإنتاج على نطاق واسع.
حتى الشركات التي لم تكن مرتبطة بالسيارات الكهربائية حتى وقت قريب، مثل شركة دريم تكنولوجي - المعروفة بأجهزتها المنزلية - قدّمت خططها الخاصة لبطاريات الحالة الصلبة. ووفقًا لبياناتها، يمكن أن تصل سعة خلايا جالاكسي كريستال إلى 60 أمبير/ساعة وتتجاوز 450 واط/كجم ، ومن المقرر أن يبدأ الإنتاج التجاري في عام 2027 تقريبًا.
في الواقع، لا يزال تحويل خلية تجريبية إلى بطارية مناسبة للإنتاج الضخم ، بتكاليف مضبوطة ومتانة تلبي متطلبات صناعة السيارات، يمثل تحديًا تقنيًا كبيرًا. وقد حثّ المسؤولون التنفيذيون في بعض الشركات المصنعة على توخي الحذر بشأن التوقعات، مدركين أن الجداول الزمنية قد تطول وأن بعض المشاريع لن تصل إلى السوق في وقت واحد.
التأثير المحتمل على أوروبا وسوق السيارات الكهربائية
إن تركيز مشاريع بطاريات الحالة الصلبة في الصين له تداعيات مباشرة على أوروبا. إذ تعتمد مجموعات السيارات الأوروبية الكبرى - بما في ذلك بعض شركاء مصنعي البطاريات الآسيويين - على سلسلة توريد يتم فيها تطوير التطورات التكنولوجية إلى حد كبير خارج القارة.
إذا ما ترجمت كثافة الطاقة التي تتراوح بين 350 و500 واط/كغ إلى سيارات بمدى يزيد عن 1.000 كيلومتر للشحنة الواحدة وعمر افتراضي يقارب مليون كيلومتر، فسيزداد الضغط على المصنّعين الأوروبيين بشكل كبير. ولن تقتصر المنافسة على السعر فحسب، بل ستشمل أيضاً القدرة على توفير سيارات تتطلب شحناً أقل تكراراً وبطاريات تحافظ على أدائها لسنوات عديدة.
في هذا السياق، أطلق الاتحاد الأوروبي برامج لتعزيز التصنيع المحلي للبطاريات المتقدمة وتقليل الاعتماد على المصادر الأجنبية، إلا أن مواكبة وتيرة التطور ليست بالأمر السهل دائمًا. وسيكون الاستثمار في التقنيات البديلة، مثل بطاريات أيونات الصوديوم، وبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم المحسّنة، أو بطاريات الحالة الصلبة المطورة داخل أوروبا، أمرًا أساسيًا للحفاظ على القدرة التنافسية الصناعية وضمان الإمداد.
بالنسبة للمستهلكين، سيظهر التأثير الأبرز عند بدء ظهور أولى المركبات المزودة ببطاريات الجيل الجديد على الطرق، على الأرجح في فئات السيارات المتوسطة والعالية أو الفاخرة. إذا حققت النتائج من حيث المدى، واستهلاك الطاقة، والسلامة التوقعات، فمن المرجح أن يزداد الطلب على هذه الطرازات، مما يُسرّع عملية التحول ويدفع التقنيات الحالية نحو استخدامات ثانوية أو فئات السيارات الاقتصادية.
تشير التطورات مجتمعة في بطاريات الزنك واليود المائية وخلايا الحالة الصلبة عالية الكثافة إلى عقد سيشهد تغييراً جذرياً في تخزين الطاقة: من المنشآت الكبيرة التي تعمل على استقرار الشبكة وتسهل الاستخدام المكثف للطاقة المتجددة، إلى السيارات الكهربائية القادرة على قطع مسافات لا يمكن تصورها اليوم بشحنة واحدة، وسيمثل تطوير تقنيات البطاريات الجديدة هذه جزءاً كبيراً من تطور قطاع الطاقة والتنقل في أوروبا وبقية أنحاء العالم.
