البطاريات... المحرك الصامت للكوكب من الهواتف إلى السيارات والمسيّرات

وبينما نقف على حافة نموذج جديد للطاقة، فإن إمكانات تقنيات البطاريات المتقدمة لإحداث ثورة في وسائل النقل، وتخزين الطاقة، والإلكترونيات الاستهلاكية، والبنية التحتية للشبكات، أصبحت أكثر وضوحا من أي وقت مضى.

فمن بطاريات الحالة الصلبة التي توفر كثافات طاقة أعلى وتحسين السلامة، إلى وعد بطاريات الليثيوم والكبريت والتدفق التي تعزز تكامل الطاقة المتجددة، يحمل مسار تكنولوجيا البطاريات آثارا عميقة على استدامة أنظمة الطاقة لدينا ومرونتها وكفاءتها.

هيمنة بطاريات الليثيوم أيون

برزت بطاريات الليثيوم أيون باعتبارها التكنولوجيا السائدة في مجال تخزين الطاقة، وذلك بسبب كثافة الطاقة العالية، ودورة الحياة الطويلة نسبيا، وتعدد الاستخدامات. تم تسويق بطاريات "الليثيوم أيون" في الأصل في أوائل التسعينات، وقد شهدت منذ ذلك الحين تطورات كبيرة، مما أتاح اعتمادها على نطاق واسع عبر تطبيقات متنوعة.

فإحدى أبرز سمات بطاريات الليثيوم أيون، هي كثافة الطاقة الاستثنائية، التي تشير إلى كمية الطاقة المخزنة لكل وحدة حجم أو وزن.

فبالمقارنة مع كيميائيات البطاريات القابلة لإعادة الشحن الأخرى، مثل بطاريات النيكل والكادميوم أو بطاريات الرصاص الحمضية، توفر بطاريات الليثيوم أيون كثافة طاقة أعلى بكثير، مما يترجم إلى مصادر طاقة طويلة الأمد للإلكترونيات المحمولة والمركبات الكهربائية.

وتتميز بطاريات الليثيوم أيون بدورة حياة طويلة نسبيا، وبعدد دورات تفريغ للشحن التي يمكن أن تقوم بها قبل أن تتعرض لتدهور كبير. وفي حين أن عمر الدورة الدقيق يختلف اعتمادا على عوامل مثل كيمياء البطارية والتصميم وظروف التشغيل، فإن بطاريات الليثيوم أيون الحديثة يمكنها عادةً تحمل مئات إلى آلاف الدورات مع الحد الأدنى من فقدان السعة، مما يجعلها مناسبة تماما للاستخدام الطويل المدى في تطبيقات الالكترونيات والسيارات.

كذلك، جذبت بطاريات الليثيوم أيون الاهتمام لحوادث السلامة العرضية، مثل تلك التي تنطوي على ارتفاع درجة الحرارة أو الاحتراق، وهو ما يطلق عليه "الهروب الحراري" - وهي عملية ترتفع فيها درجة حرارة خلية أيون الليثيوم وتطلق غازات سامة قبل أن تنفجر.

وفي كل عام، ترتبط 1,5 في المئة من بطاريات الليثيوم أيون بحوادث مثل الحرارة الزائدة أو الانفجارات أو حوادث الحريق.

إلا أن نحو 30 – 40 في المئة من حرائق بطاريات الليثيوم أيون تكون ناجمة عن عوامل خارجية، مثل قصر الدائرة الكهربائية، والشحن الزائد، والإفراط في التفريغ. وبلغت نسبة حوادث فشل البطارية 38 في المئة من جميع حوادث بطاريات الليثيوم في عام 2021.

 فقد تم بذل جهود كبيرة لتعزيز ميزات السلامة الخاصة بها، عبر ابتكار أنظمة إدارة البطاريات المتقدمة، والمواد المحسنة للأقطاب الكهربائية، وغيرها من التقنيات. وعلى الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون توفر مزايا أداء مقنعة، إلا أن التكلفة تظل عاملاً حاسماً يؤثر على اعتمادها على نطاق واسع.

بطاريات الكبريت تتقدم

فتاريخياً، انخفضت تكلفة بطاريات الليثيوم أيون بشكل مطرد، مع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من الخفض في التكاليف لتسريع التحول إلى السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة، مما يدفع جهود البحث والتطوير المستمرة التي تهدف إلى تعزيز القدرة على تحمل تكاليف البطاريات.

ويحمل مستقبل تكنولوجيا البطاريات وعودا هائلة، مع تركيز الأبحاث المستمرة على تعزيز كثافة الطاقة، وإطالة عمر الدورة، وتحسين السلامة، وخفض التكاليف.

ويعمل الباحثون والمهندسون باستمرار على توسيع حدود تكنولوجيا البطاريات من خلال البحث عن حلول لتخزين الطاقة أكثر كفاءة وأمانا واستدامة. من هذه الحلول البطاريات الصلبة التي تشكل نقلة نوعية في تخزين الطاقة، وهي تعد أكثر أمانا من نظيراتها الإلكتروليتية السائلة، لأنها أقل عرضة للتفاعلات الحرارية المنفلتة وتسرب الإلكتروليت.

تتيح إلكتروليتات تلك البطاريات استخدام مواد إلكترودات ذات كثافة طاقة أعلى، مما يؤدي إلى بطاريات ذات سعة تخزين طاقة أكبر؛ كما تتميز أيضا بثبات محسن ومقاومة للتدهور، مما يؤدي إلى دورة حياة أطول ومتانة معززة.

وبينما لا تزال بطاريات الحالة الصلبة في مرحلة البحث والتطوير، فإنها تمتلك القدرة على إحداث ثورة في العديد من الصناعات، من الإلكترونيات الاستهلاكية إلى السيارات الكهربائية، من خلال تقديم حلول تخزين طاقة أكثر أمانا وأكثر كثافة في استخدام الطاقة وأطول أمدا.

حظيت بطاريات الليثيوم-الكبريت بالاهتمام كبديل واعد لبطاريات الليثيوم أيون التقليدية، وذلك بفضل كثافة الطاقة النظرية العالية ووفرة الكبريت كمادة منخفضة التكلفة. وتتمتع تلك البطاريات بالقدرة على تحقيق كثافة طاقة أعلى بكثير، مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون، مما يمهد الطريق للسيارات الكهربائية الأخف وزنا والأطول مدى والإلكترونيات المحمولة الأكثر إحكاما.

والكبريت عنصر متوفر بكثرة وغير مكلف، مما يوفر إمكان إنتاج بطاريات فعالة من حيث التكلفة، مقارنة بالمواد النادرة والمكلفة نسبيا المستخدمة في بطاريات أيونات الليثيوم، كما أن أثرها البيئي أقل بكثير.

لكن هناك العديد من التحديات المتعلقة بانخفاض التوصيل الكهربائي للكبريت وتكوين وسيط متعدد قابل للذوبان، وتهدف الجهود البحثية المستمرة إلى التغلب على هذه العقبات وإطلاق الإمكانات الكاملة لبطاريات الليثيوم والكبريت.

وأخيرا، كشفت الأبحاث التي أجرتها كلية جاكوبس للهندسة في جامعة كاليفورنيا – سان دييغو، بدعم من وزارة الطاقة الأميركية، عن مادة كبريتية جديدة ذاتية الشفاء لكاثودات بطارية الحالة الصلبة، مما يعد بقفزة ثورية.

ويقول الباحثون إن تلك البطارية تحتوي على أربعة أضعاف قوة بطاريات أيونات الليثيوم التقليدية، وإذا أمكن تسويق هذه التكنولوجيا تجاريا، فسيكون لها تأثير كبير على سوق أجهزة تخزين الطاقة التي تعمل بطاقة الرياح أو الطاقة الشمسية أو غيرها من أشكال الطاقة المتجددة.

بطاريات التدفق

تمثل بطاريات التدفق نهجا واعدا لتخزين الطاقة على نطاق واسع، وخاصة بالنسبة للتطبيقات على نطاق الشبكة وتكامل الطاقة المتجددة. على عكس البطاريات التقليدية، تخزن بطاريات التدفق الطاقة في خزانات خارجية من الإلكتروليت السائل.

وتتميز بطاريات التدفق بأنها قابلة للتطوير بشكل كبير ويمكن تخصيصها بسهولة لتلبية متطلبات تخزين الطاقة المحددة لتطبيقات مختلفة، بدءا من منشآت الطاقة الشمسية السكنية حتى تخزين الشبكة على نطاق المرافق. كما تتمتع بدورة حياة طويلة وبحد أدنى من التدهور بمرور الوقت، مما يجعلها مناسبة تماما للتطبيقات التي تتطلب دورات تفريغ شحن متكررة، مثل تثبيت الشبكة وتحويل الأحمال. 

وفي حين أن بطاريات الليثيوم أيون تتفوق في التطبيقات العالية الطاقة مثل السيارات الكهربائية والهواتف الذكية، فإن بطاريات التدفق توفر مزايا مميزة في التقاط وتخزين الطاقة المتجددة الزائدة لاستخدامها لاحقا؛ بالإضافة إلى مجموعة من المميزات المتعلقة بتقليل التكاليف والموثوقية والسلامة، مقارنة بأنظمة أيونات الليثيوم.

ثورة النقل بالمركبات الكهربائية

ويتوقع لاري زولش، الرئيس التنفيذي لشركة "إنفينيتي أنرجي سيستمز"، مستقبلا مشرقا لبطاريات التدفق، حيث يتوقع أن تتجاوز المبيعات السنوية 22 مليار دولار بحلول عام 2030. لكن بطاريات التدفق لم تحقق بعد كثافة الطاقة التي تتمتع بها بطاريات أيونات الليثيوم، لذا تستمر جهود البحث والتطوير التي تركز على تحسين كفاءتها، وخفض التكاليف، وتوسيع صلاحيتها التجارية.

مع استمرار تطور تقنيات البطاريات الناشئة، فإن تطبيقاتها المحتملة في مختلف الصناعات تحمل وعدا بإحداث ثورة في النقل وتخزين الطاقة والإلكترونيات الاستهلاكية والبنية التحتية للشبكة.

فمن المتوقع أن يستفيد قطاع النقل بشكل كبير من التقدم في تقنيات البطاريات، وخاصة في ما يتعلق بالمركبات الكهربائية.

وبفضل كثافة الطاقة الأعلى والمتانة المعززة وقدرات الشحن الأسرع، يمكن للبطاريات المتقدمة أن تزيد قدرات المركبات الكهربائية، مما يجعلها عملية أكثر للسفر لمسافات طويلة.

تخزين الطاقة

يمثل دمج مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح في شبكة الطاقة تحديات فريدة تتعلق بالتقطع والتقلب. تقدم تقنيات البطاريات المستقبلية حلاً من خلال توفير قدرات موثوقا بها لتخزين الطاقة، مما يتيح دمجا أكثر سلاسة للطاقة المتجددة في الشبكة وتعزيز استقرار الشبكة ومرونتها. ومع زيادة كثافة الطاقة وتحسين الكفاءة، يمكن للبطاريات المتقدمة أن تسهل تطوير أنظمة تخزين الطاقة المتجددة الأكثر كفاءة، مما يسمح بتخزين الطاقة الزائدة المتولدة خلال فترات الإنتاج المرتفع لاستخدامها في أوقات انخفاض الإنتاج أو ارتفاع الطلب.

كما يمكن لتقنيات البطاريات المتقدمة أن تعمل على تمكين حلول تخزين الطاقة الموزعة، مما يسمح للمستهلكين بتخزين الطاقة الزائدة المولدة من الألواح الشمسية على السطوح أو غيرها من المصادر المتجددة لاستخدامها خلال فترات ذروة الطلب أو في حالة انقطاع الشبكة.

الالكترونيات الاستهلاكية

في عالم الإلكترونيات الاستهلاكية، تعد تقنيات البطاريات المستقبلية بتقديم أجهزة أصغر حجما وأخف وزنا وأطول عمرا. ومع زيادة كثافة الطاقة وتحسين كفاءة الطاقة، يمكن للبطاريات المتقدمة أن تمكن من تطوير الهواتف الذكية وأجهزة الكومبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والأجهزة القابلة للارتداء مع عمر بطارية ممتد وقدرات شحن أسرع. لن يؤدي هذا الأمر فقط إلى تعزيز تجربة المستخدم من خلال تقليل الحاجة إلى إعادة الشحن المتكرر، بل سيمكن أيضا من ابتكار تطبيقات جديدة تتطلب معالجة واتصالًا أكثر استهلاكا للطاقة.

يشكل تحديث البنية التحتية للشبكة أمرا ضروريا لتلبية الطلب المتزايد على الكهرباء، ودمج مصادر الطاقة المتجددة، وضمان موثوقية شبكة الكهرباء ومرونتها. توفر تقنيات البطاريات المستقبلية مجموعة من التطبيقات في البنية التحتية للشبكة، بدءا من أنظمة تخزين الطاقة على نطاق المرافق وحتى عمليات نشر الشبكات الصغيرة.

ويمكن للشبكات الصغيرة، وهي شبكات فردية تستطيع العمل بشكل مستقل أو بالاشتراك مع الشبكة الرئيسة، أن تستفيد أيضا من تقنيات البطاريات المتقدمة من خلال دمج قدرات تخزين الطاقة، وتحسين مرونة الطاقة، ودعم البنية التحتية الحيوية أثناء انقطاع التيار الكهربائي، وتمكين المجتمعات من الانتقال إلى مصادر الطاقة المتجددة وتقليل الاعتماد على توليد الطاقة المركزية.

تحديات التكلفة والتوريد

تُعد التكلفة أحد التحديات الأساس التي تواجه التبني الواسع النطاق لتقنيات البطاريات المتقدمة. ففي حين انخفضت تكلفة البطاريات بشكل كبير على مدى العقد الماضي، مدفوعة بوفورات الحجم والتقدم التكنولوجي، هناك حاجة إلى مزيد من الخفض لجعلها قابلة للتطبيق اقتصاديا لتطبيقات السوق الشامل. 

وتساهم تكاليف المواد المرتفعة وعمليات التصنيع المعقدة والقدرة الإنتاجية المحدودة في التكلفة الإجمالية للبطاريات، مما يشكل عائقا أمام اعتمادها على نطاق واسع عبر الصناعات. كما تمثل قابلية التوسع تحديا كبيرا آخر في تطوير تقنيات البطاريات. ففي الوقت الذي تُظهر فيه النماذج الأولية على نطاق المختبر خصائص أداء واعدة، فإن زيادة الإنتاج لتلبية الطلب التجاري يعد مسعى معقدا ومكثفا للموارد. وبالتالي؛ يجب معالجة التحديات المتعلقة بالقدرة الإنتاجية، والخدمات اللوجستية لسلسلة التوريد، وقابلية التوسع في التصنيع، لضمان الانتقال السلس من البحث والتطوير إلى الإنتاج الضخم. 

كما أن توفر المواد الخام، وخاصة المعادن المهمة مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل، يمثل عنق الزجاجة الكبير في إنتاج البطاريات المتقدمة. فمع استمرار ارتفاع الطلب العالمي على هذه المواد، تأتي المخاوف المتعلقة بمرونة سلسلة التوريد، وعدم الاستقرار الجيوسياسي، والاستدامة البيئية في المقدمة.

مخاوف السلامة العامة والبيئة

تلوح المخاوف البيئية بشكل كبير في تقدم تقنيات البطاريات. فعلى الرغم من أن البطاريات توفر بديلاً أنظف للوقود الأحفوري من حيث الانبعاثات، فإن إنتاجها واستخدامها والتخلص منها يمكن أن تكون له آثار بيئية خاصة به.

كما تشكل قضايا مثل استنزاف الموارد، والتلوث الناتج من عمليات التعدين والتصنيع، وإعادة تدوير البطاريات التي انتهى عمرها الافتراضي، تحديات بيئية كبيرة يجب معالجتها لضمان استدامة تقنيات البطاريات.

ومن ضمان معايير السلامة إلى تشجيع إعادة التدوير وتحفيز البحث والتطوير، تلعب السياسات الحكومية دورا حاسما في تشكيل تقنيات البطاريات المستقبلية واعتمادها ونشرها.

تعتبر السلامة أمرا بالغ الأهمية في تطوير تقنيات البطاريات ونشرها، نظرا الى الأخطار المحتملة المرتبطة بالانفلات الحراري والحرائق والانفجارات. وتقوم منظمات مثل اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) والمنظمة الدولية للمعايير (ISO) بتطوير معايير تتعلق بأداء البطارية وموثوقيتها وسلامتها. وتغطي هذه المعايير جوانب مثل تصميم الخلايا، والتركيب الكيميائي، وبروتوكولات الاختبار، ومتطلبات النقل لضمان تلبية البطاريات لمعايير السلامة الصارمة. 

ومع انتشار الأجهزة التي تعمل بالبطاريات والمركبات الكهربائية، هناك اعتراف متزايد بأهمية إعادة تدوير البطاريات واستدامتها.  وتهدف الأطر التنظيمية التي تحكم إعادة تدوير البطاريات عموما إلى تعزيز التخلص المسؤول من البطاريات المنتهية وإعادة تدويرها لتقليل التأثير البيئي واستعادة المواد القيمة. 

ففي الاتحاد الأوروبي، على سبيل المثل، يحدد توجيه البطارية أهدافا لجمع البطاريات وإعادة تدويرها والتخلص منها، في حين يشجع أيضا استخدام تقنيات البطاريات الصديقة للبيئة. كما توجد لوائح مماثلة في مناطق أخرى، حيث تنفذ الحكومات خطط التجميع، وبرامج مسؤولية المنتج الموسعة (EPR)، وحوافز إعادة التدوير لضمان الإدارة السليمة لنفايات البطاريات.

وتلعب السياسات والحوافز الحكومية دورا حاسما في دفع الاستثمار في أبحاث البطاريات وتطويرها. ومن خلال برامج التمويل والمنح والحوافز الضريبية والشراكات بين القطاعين العام والخاص، تهدف الحكومات إلى تحفيز الابتكار، وتسريع تطوير التكنولوجيا، وتعزيز القدرة التنافسية لصناعات البطاريات المحلية.

وأطلقت حكومة الولايات المتحدة مبادرات مثل وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة في مجال الطاقة (ARPA-E) ومركز ابتكار البطاريات التابع لوزارة الطاقة (DOE) لدعم الأبحاث المتقدمة في مجال تكنولوجيا البطاريات. وبالمثل، نفذت دول مثل الصين وكوريا الجنوبية خططا طموحة وبرامج استثمارية لترسيخ مكانتها كدول رائدة في سوق البطاريات العالمية.