ما ملامح المرحلة المقبلة في مجال تكنولوجيا البطاريات؟

8 دقائق
ما ملامح المرحلة المقبلة في مجال تكنولوجيا البطاريات؟
تخطط شركة بي إم دبليو لاستثمار 1.7 مليار دولار في مصنعها الجديد في ولاية كارولينا الجنوبية لإنتاج السيارات الكهربائية وبطارياتها.
استمع الى المقالة الآن هذه الخدمة تجريبية
Play Audio Pause Audio

يعتمد العالم بشكل متزايد كل سنة على البطاريات. فقد تجاوزت مبيعات السيارات الكهربائية نسبة 10% من مبيعات السيارات العالمية في عام 2022، ومن المتوقع أن تصل هذه النسبة إلى 30% بحلول نهاية العقد الجاري

ستتسبب السياسات العالمية بتعزيز هذا النمو؛ إذ تدفع القوانين الجديدة المتعلقة بالمناخ والتي أصدرت في الولايات المتحدة إلى ضخ مليارات الدولارات في مجال صناعة البطاريات وكمحفّزات لشراء السيارات الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، أقرّت دول الاتحاد الأوروبي وبعض الولايات الأميركية قوانين تحظر المركبات التي تعمل بالبنزين، والتي ستصبح سارية بدءاً من عام 2035. 

سيتطلب التحول لاستخدام السيارات الكهربائية تصنيع كمية كبيرة من البطاريات. 

ما الذي قدمته تكنولوجيا البطاريات لصناعة السيارات؟

تُزوَّد معظم السيارات الكهربائية اليوم بالطاقة من خلال بطاريات الليثيوم-أيون، وهي تكنولوجيا عمرها عقود من الزمن تُستخدم أيضاً في الحواسيب المحمولة والهواتف الخلوية. انخفض سعر هذه التكنولوجيا وتحسن أداؤها بعد سنوات من التطوير، لذلك فإن أسعار السيارات الكهربائية اليوم تقترب من أسعار السيارات التي تعمل بالبنزين، كما أنها قادرة على قطع مئات الكيلومترات بين عمليات الشحن. يتم أيضاً استخدام بطاريات الليثيوم-أيون في مجالات أخرى، مثل تخزين الطاقة في شبكة الكهرباء التي تستخدم في دعم مصادر الطاقة المتقطّعة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية. 

مع ذلك، لا يزال بالإمكان تطوير البطاريات أكثر. تبحث المختبرات الأكاديمية والشركات الآن عن طرق لتحسين تكنولوجيا البطاريات، مثل زيادة السعة وتسريع عملية الشحن وتخفيض التكلفة. يتمثل هدف الفرِق البحثية التي تعمل على ذلك في تطوير بطاريات أقل تكلفة توفّر قدرة ميسورة التكلفة على التخزين في شبكة الكهرباء وتزيد من قدرة السيارات الكهربائية على قطع مسافات أطول بين عمليات الشحن.

في الوقت نفسه، تحفّز المخاوف المتعلقة بإمدادات المواد الرئيسية التي تستخدم في صناعة البطاريات، مثل الكوبالت والليثيوم، الفرق البحثية والشركات على البحث عن بدائل لبطاريات الليثيوم-أيون. 

مع ازدياد الطلب على السيارات الكهربائية والطاقة المتجددة وازدهار مجال تطوير البطاريات، يمكننا التأكد من أمر واحد فقط، وهو أن البطاريات ستؤدي دوراً بالغ الأهمية في التحول للاعتماد على الطاقة المتجددة. سنستعرض في هذا المقال التوقّعات في هذا المجال لعام 2023.

إعادة تقييم جذرية

قد يتم إحراز تقدم ملحوظ في تطوير بعض الآليات المختلفة للغاية في تكنولوجيا بطاريات السيارات الكهربائية في عام 2023، إلا أن تأثيرها في السوق سيستغرق بعض الوقت حتى يصبح واضحاً.

أحد التطورات المتوقعة لهذا العام هو ما يدعى ببطاريات الحالة الصلبة. في بطاريات الليثيوم-أيون والتكنولوجيات الشبيهة، يتم استخدام الكهارل السائلة التي تحرّك الشحنة الكهربائية، بينما يتم استخدام السيراميك والمواد الصلبة الأخرى في بطاريات الحالة الصلبة بدلاً من هذه السوائل. 

يتيح هذا التغيير إمكانية تخزين كمية أكبر من الطاقة في مساحة أصغر، ما قد يحسّن من مدى السيارات الكهربائية بشكل كبير. من المحتمل أيضاً أن تحرّك بطاريات الحالة الصلبة الشحنات الكهربائية بسرعة أكبر، ما يقلل من المدة اللازمة للشحن. ونظراً لأن بعض المحاليل التي تدخل في تركيب الكهارل قد تكون قابلة للاشتعال، يقول داعمو تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة إنها تعزز الأمان من خلال تقليل احتمالية نشوب الحرائق. 

يمكن تطبيق العديد من الآليات الكيميائية المختلفة في بطاريات الحالة الصلبة، ولكن تعتمد البطاريات التي تعتبر المرشحة الأكبر للإطلاق في السوق على معدن الليثيوم. تركّز شركة كوانتوم سكيب (Quantumscape) على هذه التكنولوجيا، وقد تمكّنت من جمع تمويل يبلغ مئات الملايين من الدولارات قبل تأسيسها في عام 2020. عقدت هذه الشركة اتفاقاً مع شركة فولكس فاغن (Volkswagen) قد يؤدي إلى استخدام بطارياتها في السيارات بحلول عام 2025.  

اقرأ أيضاً: بطاريات الليثيوم-أيون تخطو خطوة كبيرة عبر منتج صغير

لكن تبين أن إعادة ابتكار البطاريات هو أمر صعب، وأن بطاريات معدن الليثيوم تعاني من مشكلات تتعلق بالتلف بمرور الوقت بالإضافة إلى أن إنتاجها يواجه بعض التحديات. أعلنت شركة كوانتوم سكيب في أواخر شهر ديسمبر/ كانون الأول 2022 أنها سلّمت بعض العينات لشركائها من شركات تصنيع السيارات للاختبار، وهو إنجاز كبير عندما يتعلق الأمر بمساعي استخدام بطاريات الحالة الصلبة في السيارات. تعمل شركات بطاريات الحالة الصلبة الأخرى، مثل سوليد باور (Solid Power) على صنع بطارياتها واختبارها أيضاً. ولكن على الرغم من أنها قد تحقق إنجازات كبيرة في عام 2023، فإن البطاريات التي ستنتجها لن تُستخدم في السيارات خلال هذا العام. 

بطاريات الحالة الصلبة ليست تكنولوجيا البطاريات الوحيدة التي يتم تطويرها حالياً؛ إذ يتم تطبيق آليات كيميائية مختلفة أيضاً في نوع آخر من البطاريات الجديدة، والذي يحمل اسم بطاريات أيونات الصوديوم. تتميز هذه البطاريات بتصميم شبيه بتصميم بطاريات الليثيوم-أيون. وتشمل أوجه التشابه استخدام الكهارل السائلة وغيرها، لكن بدلاً من الاعتماد كلياً على الليثيوم، يتم استخدام الصوديوم كمكوّن كيميائي أساسي أيضاً. تخطط شركة البطاريات الصينية العملاقة، سي أيه تي إل (CATL) لبدء إنتاج هذه البطاريات على نطاق واسع في عام 2023. 

قد لا تحسّن تكنولوجيا أيونات الصوديوم أداء البطاريات، ولكنها ستقلل من التكلفة لأن إنتاجها يعتمد على مواد أقل تكلفة وأكثر توفراً من تلك المستخدمة في بطاريات الليثيوم-أيون. ليس من الواضح بعد ما إذا كانت بطاريات أيونات الصوديوم قادرة على تلبية احتياجات السيارات الكهربائية المتعلقة بالمدى وزمن الشحن. ولذلك، ستركّز الكثير من الشركات التي تعمل على تطوير هذه التكنولوجيا، مثل شركة ناترون (Natron) الأميركية، على التطبيقات الأبسط مثل التخزين الثابت أو الأجهزة مثل الدراجات الهوائية الكهربائية ودراجات السكوتر. 

اقرأ أيضاً: المواد العشوائية تفاجئنا بقدرتها على تحسين أداء البطاريات

وفقاً لمسؤول تخزين الطاقة في شركة أبحاث الطاقة بلومبرغ إن إي إف، يايوي سيكيني (Yayoi Sekine)، يعتبر سوق البطاريات التي تستخدم في التخزين الشبكي الثابت (أي تخزين الطاقة الكهربائية في البطاريات وتحريرها عند الحاجة) صغيراً، إذ إن حجمه يبلغ نحو عُشر حجم سوق بطاريات السيارات الكهربائية. لكن الطلب على تخزين الكهرباء يزداد مع إنشاء المزيد من محطات الطاقة المتجددة، نظراً لأن مصادر الطاقة المتجددة الرئيسية مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية غير مستقرة، ولأنه يمكن استخدام البطاريات في تخزين هذه الأشكال من الطاقة عند الحاجة. 

لا تعتبر بطاريات الليثيوم-أيون مثالية للتخزين الثابت على الرغم من أنها تستخدم لهذا الغرض بشكل شائع حالياً. وفي حين أن بطاريات السيارات الكهربائية تصبح أقل حجماً وأخف وزناً وأكثر سرعة في الشحن بمرور الزمن، فإن الهدف الأساسي في مجال التخزين الثابت هو خفض التكلفة. لا تعتبر العوامل مثل الحجم أو الوزن مهمة بنفس القدر بالنسبة لشبكات الكهرباء، ما يعني أن البطاريات التي تعتمد على آليات كيميائية مختلفة عن بطاريات الليثيوم-أيون ستستخدم لهذا الغرض بشكل أكثر شيوعاً على الأرجح. 

يعتبر الحديد من المواد التي يزداد استخدامها شيوعاً في مجال التخزين الثابت. ومن المحتمل أن تحرز شركتان كبيرتان تقدماً ملحوظاً في هذا المجال خلال عام 2023. تطوّر شركة فورم إنرجي (Form Energy) البطاريات الهوائية الحديدية التي تحتوي على كهرل مائي وتخزّن الطاقة باستخدام الصدأ القابل للعكس. أعلنت هذه الشركة مؤخراً عن نيتها بناء مصنع بقيمة 760 مليون دولار في مدينة ويرتون في ولاية فيرجينيا الغربية الأميركية، ومن المقرر أن تبدأ الشركة بعمليات البناء في عام 2023. تقوم شركة ثانية وهي إي إس إس (ESS)، بتطوير نوع آخر من البطاريات المعدنية التي تعتمد على آليات كيميائية شبيهة. وبدأت هذه الشركة في عمليات التصنيع في مقرها في مدينة ويلسون فيل في ولاية أوريغون الأميركية.

تغيّرات في المعايير

تستمر جودة بطاريات الليثيوم-أيون بالتحسن بينما تنخفض تكلفتها، ولكن الباحثين يحاولون تعديل هذه التكنولوجيا لتحسين الأداء وتخفيض التكلفة أكثر.

تتمثل بعض الأسباب وراء هذه المحاولات في تقلب أسعار المواد التي تستخدم في تصنيع بطاريات الليثيوم-أيون، والتي يمكن أن تدفع الشركات إلى البحث عن آليات كيميائية أخرى. يقول سيكيني: “إنها جهود تتعلق بالتكلفة”.

تعتبر المهابط عادة من أكثر المواد تكلفة في البطاريات، ويعتبر نوع المهابط الذي يحمل اسم إن إم سي (مهابط النيكل والمنغنيز والكوبالت) الأكثر استخداماً في بطاريات السيارات الكهربائية اليوم. تعتبر هذه العناصر الكيميائية الثلاثة، بالإضافة إلى الليثيوم، مرتفعة التكلفة، لذلك يُفترض أن يؤدي الاستغناء عن أحدها أو عنها كلها إلى تخفيض التكلفة. 

قد نشهد عام 2023 نقلة نوعية في استخدام أحد البدائل عن هذه المواد، وهو مركب يحمل اسم فوسفات الحديد والليثيوم، والذي يمكن استخدامه لصنع مهابط منخفضة التكلفة تُستخدم بدورها أحياناً لصنع بطاريات الليثيوم-أيون. 

ساعد التقدّم الذي أُنجز حديثاً في دراسة كيمياء فوسفات الحديد والليثيوم وتصنيعه على تحسين أداء البطاريات التي تعتمد عليه، وبدأت الشركات في تبنّي هذه التكنولوجيا. تنمو الحصة السوقية لفوسفات الحديد والليثيوم بسرعة حالياً، إذ ارتفعت نسبتها من سوق السيارات الكهربائية العالمي من نحو 10% في عام 2018 إلى نحو 40% في عام 2022. تستخدم شركة تيسلا بالفعل البطاريات التي تعتمد على فوسفات الحديد والليثيوم في بعض طرازاتها. وأعلنت شركات مثل فورد (Ford) وفولكس فاغن أنها تخطط لإطلاق بعض الطرازات من السيارات الكهربائية التي تحتوي على هذه البطاريات أيضاً.

اقرأ أيضاً: ما هي بطاريات الجرافين؟ وكيف ستجعل صناعة السيارات الكهربائية والهواتف الذكية أكثر صداقة للبيئة؟

على الرغم من أن الأبحاث العلمية المتعلقة بالبطاريات تركّز عادة على دراسة المهابط كيميائياً، يسعى الباحثون أيضاً إلى إعادة ابتكار المصاعد الكيميائية أيضاً.

تتألف المصاعد في معظم بطاريات الليثيوم-أيون حالياً، بغض النظر عن المواد التي تصنع منها مهابطها، من الغرافيت الذي يجذب أيونات الليثيوم. لكن يمكن أن تساعد بعض البدائل مثل السيليكون في زيادة كثافة الطاقة وتسريع عملية الشحن.

خضعت مصاعد السيليكون إلى الأبحاث العلمية لسنوات، ولكنها لا تتمتع بعمر طويل في المنتجات التي تستخدم فيها. أما الآن، بدأت الشركات في توسيع إنتاج هذه المواد.

في عام 2021، بدأت شركة ناشئة تحمل اسم سيلا (Sila) في إنتاج مصاعد السيليكون للبطاريات التي تستخدم في أجهزة اللياقة القابلة للارتداء. حصلت هذه الشركة مؤخراً على منحة قدرها 100 مليون دولار من وزارة الطاقة الأميركية لمساعدتها على بناء مصنع في مدينة موزس ليك في ولاية واشنطن. وسيُستخدم هذا المصنع في العمليات الإنتاجية المتضمّنة في شراكة سيلا مع شركة مرسيدس-بينز (Mercedes-Benz)، ومن المتوقع أن ينتج المواد التي تستخدم في صناعة بطاريات السيارات الكهربائية بدءاً من عام 2025.

تعمل شركات ناشئة أخرى على المزج بين السيليكون والغرافيت لصنع المصاعد الكيميائية. يمكن أن تتخذ شركة ون دي باتيري ساينسز (OneD Battery Sciences)، والتي دخلت في شراكة مع شركتي جي إم (GM) وسايونك إنرجي (Sionic Energy)، خطوات إضافية لترويج منتجاتها في عام 2023.  

تأثير السياسات في المنتجات

سيتم وفق قانون الحد من التضخم الذي أُقرّ في أواخر عام 2022 تخصيص قرابة 370 مليار دولار أميركي لقضايا المناخ والطاقة النظيفة، وسيتم تخصيص مليارات الدولارات من هذا التمويل لتصنيع بطاريات السيارات الكهربائية. يقول الباحث في مجال المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومؤسس العديد من شركات البطاريات، يت-مينغ تشيانغ (Yet-Ming Chiang): “يتحضّر الجميع لتبعات قانون الحد من التضخم”.

سيوفر هذا القانون القروض والمنح لأسواق البطاريات في الولايات المتحدة، ما سيزيد من طاقته الإنتاجية. بالإضافة إلى ذلك، ستحفّز الإعفاءات الضريبية الخاصة بالسيارات الكهربائية والمتضمنة في هذا القانون شركات تصنيع السيارات على الحصول على المواد التي تستخدم في تصنيع البطاريات من شركات أميركية أو من شركائها في التجارة الحرة وتصنيع البطاريات في قارة أميركا الشمالية. نتيجة لكل من التمويل الذي سيمنح بموجب هذا القانون والإعفاءات الضريبية المتضمنة فيه، ستتمكن الشركات المصنّعة للسيارات من الاستمرار في الإعلان عن طاقات إنتاجية جديدة في الولايات المتحدة وإيجاد طرق جديدة للحصول على المواد التي تحتاجها.

يعني كل هذا أن الطلب سيزداد على المكونات الرئيسية التي تصنع منها بطاريات الليثيوم-أيون، مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل. تتمثل إحدى النتائج المحتملة للحوافز المتضمنة في قانون الحد من التضخّم في ازدياد الاهتمام بإعادة تدوير البطاريات والذي يزداد بالفعل حالياً. على الرغم من أنه لن يتم إنتاج ما يكفي من السيارات الكهربائية لتلبية الطلب على بعض المواد الأساسية، فإن نشاطات إعادة التدوير بدأت بالازدياد.

برزت شركة سي أيه تي إل وبعض الشركات الصينية الأخرى في مجال إعادة تدوير البطاريات، لكن يمكن أن يشهد هذا القطاع نمواً كبيراً في بعض أسواق السيارات الكهربائية الأخرى مثل أميركا الشمالية وأوروبا في عام 2023. تقوم كل من شركتي ريدود ماتيريالز (Redwood Materials) ولي-سايكل (Li-Cycle) الكنديتين ببناء المنشآت، وتعملان على عزل بعض المعادن التي تستخدم في البطاريات وتصفيتها، مثل الليثيوم والنيكل، بهدف إعادة استخدامها في تصنيع المزيد من البطاريات. 

من المقرر أن تبدأ شركة لي-سايكل في تشغيل منشأة إعادة التدوير الرئيسية الخاصة بها في عام 2023. كما بدأت شركة ريدود ماتيريالز في تصنيع أول منتجاتها، وهي الرقائق النحاسية، في منشأتها الواقعة في أطراف مدينة رينو في ولاية نيفادا الأميركية، وأعلنت مؤخراً عن خططها لبناء منشأة في بداية عام 2023 في مدينة تشارلستون في ولاية كارولاينا الجنوبية.

مع تدفق الأموال بموجب قرار الحد من التضخم والسياسات الأخرى التي تطبقها دول العالم، والتي ستزيد من الطلب على السيارات الكهربائية وبطارياتها، من المتوقع أن يكون عام 2023 حافلاً بالإنجازات بالنسبة لهذا القطاع.