ثلاث تقنيات للبطاريات يمكنها تشغيل المستقبل

يحتاج العالم إلى المزيد من الطاقة، ويفضل أن تكون في شكل نظيف ومتجدد.تتشكل استراتيجياتنا لتخزين الطاقة حاليا من خلال بطاريات الليثيوم أيون ــ التي تعتبر في طليعة هذه التكنولوجيا ــ ولكن ما الذي يمكننا أن نتطلع إليه في السنوات القادمة؟

لنبدأ ببعض أساسيات البطارية.البطارية عبارة عن حزمة مكونة من خلية واحدة أو أكثر، تحتوي كل منها على قطب موجب (الكاثود)، وقطب سالب (الأنود)، وفاصل، وإلكتروليت.يؤثر استخدام مواد كيميائية ومواد مختلفة لهذه الأغراض على خصائص البطارية - مقدار الطاقة التي يمكنها تخزينها وإخراجها، ومقدار الطاقة التي يمكن أن توفرها أو عدد المرات التي يمكن تفريغها وإعادة شحنها (وتسمى أيضًا سعة التدوير).

تقوم شركات البطاريات باستمرار بإجراء تجارب للعثور على مواد كيميائية أرخص وأكثر كثافة وأخف وزنا وأكثر قوة.تحدثنا إلى باتريك برنارد - مدير أبحاث Saft، الذي شرح ثلاث تقنيات جديدة للبطاريات ذات إمكانات تحويلية.

الجيل الجديد من بطاريات ليثيوم أيون

ما هذا؟

في بطاريات الليثيوم أيون (ليثيوم أيون)، يتم توفير تخزين الطاقة وإطلاقها من خلال حركة أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب ذهابًا وإيابًا عبر المنحل بالكهرباء.في هذه التقنية، يعمل القطب الموجب كمصدر الليثيوم الأولي والقطب السالب كمضيف لليثيوم.تم جمع العديد من الكيمياء تحت اسم بطاريات أيون الليثيوم، نتيجة لعقود من الاختيار والتحسين للمواد النشطة الإيجابية والسلبية التي اقتربت من الكمال.تعد أكاسيد المعادن أو الفوسفات الميثودية هي المادة الأكثر شيوعًا المستخدمة كمواد إيجابية موجودة.يتم استخدام الجرافيت، ولكن أيضًا الجرافيت/السيليكون أو أكاسيد التيتانيوم الملوثة كمواد سلبية.

ومع المواد الفعلية وتصميمات الخلايا، من المتوقع أن تصل تكنولوجيا أيون الليثيوم إلى حد الطاقة في السنوات القادمة.ومع ذلك، فإن الاكتشافات الحديثة جدًا لعائلات جديدة من المواد النشطة المدمرة يجب أن تفتح الحدود الحالية.يمكن لهذه المركبات المبتكرة تخزين المزيد من الليثيوم في الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية وستسمح لأول مرة بالجمع بين الطاقة والقوة.بالإضافة إلى ذلك، مع هذه المركبات الجديدة، يتم أيضًا أخذ ندرة المواد الخام وحرجتها في الاعتبار.

ما هي مزاياها؟

اليوم، من بين جميع تقنيات التخزين الحديثة، تتيح تقنية بطاريات الليثيوم أيون أعلى مستوى من كثافة الطاقة.يمكن ضبط الأداء مثل الشحن السريع أو نافذة التشغيل بدرجة الحرارة (-50 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية) من خلال الاختيار الكبير لتصميم الخلايا والكيمياء.علاوة على ذلك، تعرض بطاريات الليثيوم أيون مزايا إضافية مثل التفريغ الذاتي المنخفض للغاية والعمر الطويل جدًا وأداء التدوير، وعادةً ما يصل إلى آلاف دورات الشحن/التفريغ.

متى يمكن أن نتوقع ذلك؟

ومن المتوقع نشر جيل جديد من بطاريات ليثيوم أيون المتقدمة قبل الجيل الأول من بطاريات الحالة الصلبة.ستكون مثالية للاستخدام في تطبيقات مثل أنظمة تخزين الطاقةمصادر الطاقة المتجددةوالنقل (البحريةالسكك الحديدية,طيرانوالتنقل على الطرق الوعرة) حيث تكون الطاقة العالية والطاقة العالية والسلامة إلزامية.

بطاريات الليثيوم والكبريت

ما هذا؟

في بطاريات الليثيوم أيون، يتم تخزين أيونات الليثيوم في مواد نشطة تعمل كهياكل مضيفة مستقرة أثناء الشحن والتفريغ.في بطاريات الليثيوم-الكبريت (Li-S)، لا توجد هياكل مضيفة.أثناء التفريغ، يتم استهلاك أنود الليثيوم وتحويل الكبريت إلى مجموعة متنوعة من المركبات الكيميائية؛أثناء الشحن، تتم العملية العكسية.

ما هي مزاياها؟

تستخدم بطارية Li-S مواد نشطة خفيفة للغاية: الكبريت في القطب الموجب والليثيوم المعدني في القطب السالب.وهذا هو السبب في أن كثافة الطاقة النظرية عالية بشكل غير عادي: أربع مرات أكبر من كثافة أيون الليثيوم.وهذا يجعلها مناسبة لصناعات الطيران والفضاء.

قامت شركة Saft باختيار وتفضيل تقنية Li-S الواعدة المعتمدة على إلكتروليت الحالة الصلبة.يوفر هذا المسار التقني كثافة طاقة عالية جدًا وعمرًا طويلًا ويتغلب على العيوب الرئيسية لـ Li-S السائل (العمر المحدود والتفريغ الذاتي العالي، ...).

علاوة على ذلك، تعد هذه التقنية مكملة لبطارية أيون الليثيوم الصلبة بفضل كثافة الطاقة الوزنية الفائقة (+30% على المحك بوحدة وات ساعة/كجم).

متى يمكن أن نتوقع ذلك؟

لقد تم بالفعل التغلب على العوائق التكنولوجية الرئيسية ويتقدم مستوى النضج بسرعة كبيرة نحو النماذج الأولية واسعة النطاق.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب عمرًا طويلًا للبطارية، من المتوقع أن تصل هذه التقنية إلى السوق مباشرة بعد استخدام أيونات الليثيوم الصلبة.

بطاريات الحالة الصلبة

ما هذا؟

تمثل بطاريات الحالة الصلبة نقلة نوعية من حيث التكنولوجيا.في بطاريات الليثيوم أيون الحديثة، تنتقل الأيونات من قطب كهربائي إلى آخر عبر الإلكتروليت السائل (وتسمى أيضًا الموصلية الأيونية).في البطاريات ذات الحالة الصلبة بالكامل، يتم استبدال الإلكتروليت السائل بمركب صلب يسمح مع ذلك لأيونات الليثيوم بالهجرة داخله.هذا المفهوم ليس جديدًا على الإطلاق، ولكن على مدى السنوات العشر الماضية - بفضل الأبحاث العالمية المكثفة - تم اكتشاف عائلات جديدة من الإلكتروليتات الصلبة ذات الموصلية الأيونية العالية جدًا، على غرار الإلكتروليت السائل، مما يسمح بالتغلب على هذا الحاجز التكنولوجي الخاص.

اليوم،صفطتركز جهود البحث والتطوير على نوعين رئيسيين من المواد: البوليمرات والمركبات غير العضوية، بهدف تحقيق التآزر بين الخصائص الفيزيائية والكيميائية مثل قابلية المعالجة والاستقرار والتوصيل …

ما هي مزاياها؟

الميزة الكبرى الأولى هي التحسن الملحوظ في السلامة على مستوى الخلايا والبطاريات: فالشوارد الصلبة غير قابلة للاشتعال عند تسخينها، على عكس نظيراتها السائلة.ثانيًا، يسمح باستخدام مواد مبتكرة عالية الجهد وعالية السعة، مما يتيح بطاريات أكثر كثافة وأخف وزنًا مع عمر افتراضي أفضل نتيجة لانخفاض التفريغ الذاتي.علاوة على ذلك، على مستوى النظام، فإنه سيجلب مزايا إضافية مثل الميكانيكا المبسطة بالإضافة إلى إدارة الحرارة والسلامة.

وبما أن البطاريات يمكن أن تظهر نسبة عالية من الطاقة إلى الوزن، فقد تكون مثالية للاستخدام في السيارات الكهربائية.

متى يمكن أن نتوقع ذلك؟

من المحتمل أن يتم طرح عدة أنواع من بطاريات الحالة الصلبة بالكامل في الأسواق مع استمرار التقدم التكنولوجي.الأول سيكون بطاريات الحالة الصلبة ذات الأنودات القائمة على الجرافيت، مما يؤدي إلى تحسين أداء الطاقة والسلامة.وبمرور الوقت، ينبغي أن تصبح تقنيات بطاريات الحالة الصلبة الأخف وزنًا التي تستخدم أنود الليثيوم المعدني متاحة تجاريًا.