كيف يمكن لبطاريات الحالة الصلبة تحويل وسائل النقل؟

في 1992، أطلقت شركة سوني ثورة في مجال الأجهزة الإلكترونية المحمولة عبر الاستفادة من عقود من الأبحاث المخبرية على بطاريات أيون الليثيوم، وتمكنت الشركة اليابانية من تقديم منتجات مثل الهواتف المحمولة وكاميرات الفيديو المحمولة التي غيرت حياة مليارات المستهلكين.
تدعم البطاريات الآن المهمة الهائلة المتمثلة في إصلاح نظام الطاقة والنقل العالمي. وبينما انخفضت تكلفة صنع بطاريات الليثيوم أيون بشكل كبير، ما سمح لمبيعات السيارات الكهربائية بالانطلاق في الأعوام الأخيرة، إلا أن العناصر الأساسية لهذه التكنولوجيا لم تتغير كثيرا منذ استخدامها على نطاق تجاري.
لكن بعد ثلاثة عقود من التحسين التدريجي، قد تنقلب هذه العقيدة رأسا على عقب قريبا. فقد أشارت تويوتا، أكبر شركة لصناعة السيارات في العالم، في الأسابيع الأخيرة إلى أنها تقترب من تحقيق اختراق تصنيعي لتكنولوجيا قد تغير قواعد اللعبة: بطاريات الحالة الصلبة. يتزايد الضجيج منذ سلسلة من الإعلانات حول تكنولوجيا الجيل التالي من قبل شركة تصنيع السيارات اليابانية في يونيو. وارتفعت قيمتها السوقية بمقدار 26 مليار دولار منذ ذلك الحين.
إذا نجحت، فيمكن أن تبدأ شركة تويوتا في بيع المركبات الكهربائية الأكثر أمانا، التي يمكن إعادة شحنها بسرعة أكبر، ويمكنها السير لمسافة 1.200 كيلومتر من عملية شحن واحدة - نحو ضعف المتوسط الحالي للشركة - في 2027.
يقول بيتر بروس، المؤسس المشارك وكبير العلماء في مؤسسة فاراداي، المعهد البريطاني لأبحاث البطاريات، إنه يجري سباق عالمي للنجاح في مجال بطاريات الحالة الصلبة، وإذا نجحت شركة تويوتا أو أي جهة أخرى في تصنيع بطاريات الحالة الصلبة منافسة من حيث التكلفة وتوفر العمر المطلوب فيمكنها تحقيق زيادة في كثافة الطاقة والشحن في عشر دقائق، مضيفا: "إذا وصلت إلى تلك المقاييس، فسيكون ذلك أمرا ثوريا".
في حال نجاح هذه التكنولوجيا، فإن التأثير يمكن أن يكون هائلا. ومن شأنها أن تحدث هزة في صناعة السيارات حيث تهيمن تسلا وبي وأي دي وكاتل الصينيتان على مبيعات السيارات الكهربائية والبطاريات حاليا، وسيكون لها آثار جيوسياسية نظرا إلى القلق الغربي بشأن هيمنة الصين الحالية على البطاريات وموادها الخام، ويمكن أن تفتح الباب أمام تطبيق البطاريات على مجالات جديدة للنقل مثل الطيران.
ويعتقد بعض المراقبين أن التحول قد يكون بالغ الأهمية مثل التحول من الهواتف السلكية والخطوط الأرضية إلى الهواتف المحمولة.
لكن تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة لا تخلو من المتشككين. ويتساءل النقاد عما إذا كانت القضايا العلمية الأساسية قد تمت معالجتها، ويتساءل آخرون عما إذا كان من الممكن تحقيق تصنيع عالي السرعة وبكميات كبيرة، أو ما إذا كانت ستوجد سوق كبيرة لهذه التكنولوجيا على الإطلاق.
يقول أليكس بروكس، المحلل في شركة كاناكورد جينيوتي: "تشير الإثارة حول بطاريات الحالة الصلبة إلى أن مجموعة الحلول الحالية ليست جيدة بما فيه الكفاية. من البديهي أن هذا غير صحيح. حيث تنمو المبيعات 20 إلى 30 في المائة سنويا، وكل من يحاول تجربتها يقول إنه لن يعود إلى استخدام أي شيء آخر. في الوقت الحالي، يعد هذا مشروعا بحثيا مبالغا فيه".
أدى ادعاء شركة تويوتا الأخير بتحقيق اختراق إلى إثارة التساؤلات حول مدى السرعة التي ستقدم بها بطاريات الحالة الصلبة مساهمة كبيرة في إزالة الكربون من نظام النقل العالمي. يطلق فينكات سرينيفاسان، مدير مركز أرجون التعاوني لعلوم تخزين الطاقة، وهو مختبر تموله الحكومة الأمريكية، على هذه البطاريات اسم "الكأس المقدسة" لصناعة البطاريات على المدى الطويل.
ويتساءل: "لكن هل هذه الابتكارات المثيرة للاهتمام على مستوى المختبر والتي لا يزال أمامها عبور جسر كبير قبل أن تصبح قابلة للتصنيع، أم أنها شيء يمكن إنتاجه على نطاق واسع قريبا؟ ما زلت أكافح لفهم ذلك".

أساس متين

تعمل جميع البطاريات بالطريقة نفسها: يتدفق تيار من الذرات المشحونة كهربائيا تعرف باسم الأيونات عبر مادة كيميائية تسمى المحلول الكهربائي من الأنود إلى الكاثود، وهما قطبا الخلية الكهربائية، ما يولد تيارا في العملية.
تختلف بطاريات الحالة الصلبة عن خلايا أيون الليثيوم الحالية في أن الإلكترولايت الكهربائي يكون صلبا وليس سائلا. ويجري اختبار مواد مختلفة، بما في ذلك البوليمرات، والأكاسيد والكبريتيدات، بوصفها إلكترولايت كهربائيا محتملا. ستكون السيارات التي تستخدم بطاريات الحالة الصلبة أكثر أمانا، حيث يمكن أن يكون الإلكترولايت الكهربائي السائل أكثر عرضة لخطر الحرائق.
لن يؤدي تغيير الإلكترولايت الكهربائي وحده بالضرورة إلى تغيير تدريجي في أداء البطارية. تعتمد الإثارة الحقيقية على تطور تكنولوجي من شأنه أن يتيحه: أنودات معدن الليثيوم. ومن شأن استبدال الجرافيت المستخدم في الأنودات الحالية أن يساعد على مضاعفة مدى البطارية، ويرجع ذلك جزئيا إلى أنها ستكون أخف وزنا.
لقد واجهت بطاريات الحالة الصلبة تحديات تكنولوجية أساسية طويلة الأمد. أحدها هو صعوبة الحفاظ على أداء البطارية وتجنب فشلها نظرا إلى أن عمليات الشحن والتفريغ المتكررة تتسبب في تكوين تشعبات، وهي مجموعات من الليثيوم، يمكن أن تؤدي إلى التشقق. التحدي الآخر هو تمكين الاتصال الثابت بين المواد الصلبة.
كان الاختراق الأول، الذي أعلنته شركة تويوتا في يونيو، يتعلق بحل المشكلات التكنولوجية المتعلقة بالمتانة، رغم أن التفاصيل كانت ضئيلة حول نوع المواد التي أدت إلى هذا الاختراق. وأعلنت أخيرا شراكة مع مجموعة البتروكيماويات إيديميتسو كوسان لتطوير وإنتاج إلكترولايت كهربائي كبريتيدي بشكل مشترك، الذي قالت إنه سيكون أساسيا للتسويق التجاري في غضون خمسة أعوام.
وقال شونيتشي كيتو، الرئيس التنفيذي لشركة إيديميتسو، في مؤتمر صحافي مشترك مع شركة تويوتا، إن الشركة واثقة بأن الإلكترولايت الكهربائي الصلب القائم على الكبريتيد هو الحل الواعد لمشكلات المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية مثل مسافة الرحلة وأوقات الشحن.
يتفق العلماء بشكل متزايد على أن تحديات التكنولوجيا الأساسية لم تعد تبدو عصية على التذليل. وهذا يجعل التحدي التالي يتمثل في زيادة الإنتاج الضخم. تشكل عملية التجميع واحدة من أكبر المعوقات نظرا إلى أن طبقات خلايا الكاثود-الأنود تحتاج إلى أن يتم تكديسها بسرعة وبدقة عالية، دون الإضرار بالمواد.
كما ادعى مهندسو شركة تويوتا تحقيق تقدم هنا. حيث تزداد ثقة المجموعة الآن بقدرتها على تكديس الخلايا بمعدل بطاريات الليثيوم-أيون الحالية نفسها.
لكن هناك عقبات تكنولوجية أخرى تحتاج للتغلب عليها لتحقيق الإنتاج الضخم على نطاق واسع. وقال أحد مهندسيها خلال جولة في المصنع الشهر الماضي: "ما زلنا بحاجة إلى تحقيق تقدم فيما يتعلق بضمان حجم وجودة مواد البطارية".

الأثر العالمي

قد يكون لإدخال بطاريات الحالة الصلبة تأثير عميق في مستقبل صناعة السيارات العالمية.
في الوقت الحالي، تتمتع الصين بالقدرة على الهيمنة على المرحلة التالية من الصناعة بسبب ريادتها في كل من تكنولوجيا البطاريات وتصنيعها: لقد أنتجت أكثر من 75 في المائة من البطاريات على مستوى العالم العام الماضي.
تعد شركة كاتل أكبر شركة لتصنيع البطاريات في العالم، حيث تبلغ حصتها في السوق 37 في المائة. وتعد الشركة التي يقع مقرها في نينغدي أكثر شركات صنع البطاريات ربحية، وتتمتع بميزة تكلفة هائلة، ويرجع ذلك جزئيا إلى حجمها واستثمارها في البحث والتطوير.
وقد تكون بطاريات الحالة الصلبة الطريقة الوحيدة لتجاوز بكين في سباق البطاريات، وإن تويوتا ليست الشركة الوحيدة التي تستثمر في هذه التكنولوجيا. لدى شركتي نيسان وهوندا برامجهما الخاصة. وأعلنت الشركات الثلاث الرائدة المنتجة للبطاريات في كوريا الجنوبية - إل جي إنرجي سولوشين، وسامسونج إس دي أي وإس كيه أون - عن نيتها لتطوير مثل هذه الخلايا بحلول أواخر عشرينيات القرن الحالي. لدى شركتي كوانتوم سكيب وسوليد باور الأمريكيتين الناشئتين، الشريكتين لشركتي فولكس فاجن وبي إم دبليو، على التوالي، تواريخ مستهدفة مشابهة لتسويق تكنولوجيتهما الخاصة على نطاق تجاري.
يقول أكيتوشي هاياشي، وهو أستاذ في جامعة أوساكا متروبوليتان، إنه سيكون من الصعب للغاية إنتاج بطاريات الحالة الصلبة بكميات كبيرة بجودة بطاريات الليثيوم-أيون الحالية نفسها، لكن إذا تم تحقيقها، فإن التكنولوجيا ستكون "لا تضاهى عالميا".
ويضيف: "بطاريات الحالة الصلبة ستكون أساسية لإنعاش شركات صناعة السيارات اليابانية، التي تتخلف في استراتيجية المركبات الكهربائية، وبالنسبة إلى اليابان، التي فقدت حصتها في السوق العالمية في بطاريات الليثيوم-أيون".
كما تسيطر الصين على معالجة المواد الخام للبطاريات. يمكن لبطاريات الحالة الصلبة أن تقلل من بعض نقاط الضعف، مثل الاعتماد الحالي على الجرافيت، الذي فرضت بكين قيودا على تصديره الأسبوع الماضي. لكنها لن تفعل الكثير لتخفيف النقص المتوقع في الليثيوم لأنها ستستهلك أكثر من البطاريات الحالية.
أما قادة الصناعة في الصين وكوريا فهم أقل تفاؤلا بشأن تحقيق بطاريات الحالة الصلبة لوعودها. وفقا لشخص مقرب من شركة كاتل، كان باحثو المجموعة الصينية يعملون طوال العقد الماضي على إنتاج بطاريات الحالة الصلبة. ولم يتوصلوا بعد إلى نظام فاعل من حيث التكلفة للإنتاج الضخم - وداخليا في شركة كاتل، هناك شكوك في أن شركة تويوتا حققت ذلك.
يتفق قادة الصناعة الكورية على ذلك. ويقول أحد المسؤولين التنفيذيين إن تطوير المنتج وتسويقه أمران مختلفان، مضيفا: "تتحدث شركة تويوتا عن إنتاج كميات كبيرة من بطاريات الحالة الصلبة منذ أكثر من عشرة أعوام، لكنها تستمر في تأخير التوقيت".

معوقات التصنيع

حتى إذا كان من الممكن التغلب على التحديات التكنولوجية وتلك التي تتعلق بالتوسع، فمن غير المعروف ما إذا كانت بطاريات الحالة الصلبة قادرة على خفض تكاليف الإنتاج في الوقت المناسب لتسريع الانتشار العالمي للمركبات الكهربائية.
وستساعد الاقتصادات الكبيرة على خفض التكاليف، لكن أداء وتكلفة بطاريات الليثيوم-أيون الحالية تتحسن باستمرار، مع تقدم تكنولوجيات أخرى مثل أنودات السيليكون. يمكن أن تؤدي حساسية بطاريات الحالة الصلبة الشديدة للرطوبة والأكسجين إلى إبقاء تكاليف التصنيع مرتفعة، في حين أن تعقيدها قد يتطلب عمليات إعادة تصميم باهظة الثمن للمركبات الكهربائية.
وإذا لم تنخفض التكاليف بدرجة كافية، فقد ينتهي الأمر بالبطاريات صلبة الحالة إلى أن تقتصر على السيارات الفاخرة أو الشاحنات. يقول كيم دونج-ميونج، رئيس قسم بطاريات السيارات المتقدمة في شركة إل جي أي إس الكورية، إن إنتاجها "مكلف للغاية"، وستكون هناك "تطبيقات محدودة للغاية". حتى لو سارت كل الأمور كما هو مخطط لها، فإن بطاريات الحالة الصلبة يمكن أن تستحوذ على نحو 10 في المائة فقط من إجمالي سوق المركبات الكهربائية بحلول 2035، وفقا لتقديرات لي كيونج سوب، رئيس شركة مواد البطاريات في مجموعة بوسكو الكورية.
وكان الرئيس التنفيذي لشركة تويوتا، كوجي ساتو نفسه، مترددا في وصف بطاريات الحالة الصلبة بأنها "ستغير قواعد اللعبة" للفوز بسباق المركبات الكهربائية العالمي. وأشار ساتو إلى أنه سيتم طرح بطاريات الحالة الصلبة في البداية بكميات صغيرة في الطرازات المتطورة، بينما سيستمر استخدام بطاريات الليثيوم-أيون في السيارات ذات الأسعار المعقولة.
وقال ساتو: "ستكون تكنولوجيا البطاريات صلبة الحالة عاملا بالغ الأهمية فيما يتعلق ببناء قوتنا الشاملة في مختلف منتجات البطاريات المتوافرة لدينا. لكن البطاريات وحدها لن تحدد قيمة مركباتنا".
ويتفق كثير من المسؤولين التنفيذيين في الصناعة على أن التكنولوجيات المكونة للبطاريات صلبة الحالة سيتم دمجها تدريجيا في البطاريات الحالية. ويبدو أن شركة كاتل تخطط للقيام بذلك بالضبط، حيث كشفت في أبريل عن بطارية جديدة "مكثفة" أو "شبه صلبة الحالة"، ذات كثافة طاقة مضاعفة للنماذج الحالية.
يقول جلين ميرفيلد، كبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة ألبيمارل، أكبر منتجة لليثيوم في العالم: "بطارية الحالة الصلبة الخيار المثالي لما نريد أن نتوجه نحوه. سينتهي الأمر ببطاريات الليثيوم-أيون اليوم إلى التطور لتبدو هكذا".
ورغم كل العقبات التكنولوجية التي لا تزال قائمة، يعتقد بعض المراقبين أن التأثير المحتمل قد يكون عميقا. ومن الممكن أن تفتح البطارية ذات الأداء المحسن إلى حد كبير عملية إعادة تصميم لكثير من جوانب التنقل العالمي، بدءا من سيارات الأجرة دون سائق إلى الطيران الإقليمي وأنواع جديدة من الطائرات دون طيار.
تقول شيرلي مينج، وهي أستاذة البطاريات في جامعة شيكاغو: "يجب على بطاريات الحالة الصلبة أن تفي بالمهمة. وظيفة البطاريات الجديدة ليست أن تحل محل البطاريات القديمة أبدا. إنها تهدف إلى إطلاق العنان لأشياء لم نتمكن من القيام بها سابقا. عبر الاستفادة من مسافة السير الجديدة ووقت الشحن، تعيد شركات السيارات اليابانية تصور مستقبل النقل".