1. العهد الحالي لبطاريات الليثيوم
حاليًا، تعد بطاريات الليثيوم-الأيونية (LIBs) هي التقنية السائدة المستخدمة في تخزين الطاقة القابلة لإعادة الشحن، حيث تمثل حوالي 70% من حصة السوق العالمية لتقنيات الأجهزة القابلة لإعادة الشحن. تشمل مزايا LIBs ما يلي:
كثافة الطاقة العالية للليثيوم:يسمح الوزن الخفيف والإمكانيات الكهروكيميائية العالية للليثيوم بتطوير بطاريات وإلكترونيات للمركبات الكهربائية أصغر حجمًا وأطول عمرًا-.
التكلفة-الفعالية من خلال النطاق:بفضل عقود من الخبرة في التصنيع، أصبحت LIBs أرخص بشكل أساسي في التصنيع بكميات كبيرة مقارنة بمعظم التقنيات الأخرى، مما يسمح لـ LIBs بأن تكون -تنافسية من حيث التكلفة في المنتجات الاستهلاكية اليومية متوسطة المدى-.
البنية التحتية التي تم إنشاؤها (في جميع أنحاء العالم) لـ LIBs:لقد تطورت شبكات الدعم الشاملة لـ LIBs، بما في ذلك محطات إعادة شحن المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة على نطاق واسع -على نطاق واسع على مدار عدة عقود.
على الرغم من هيمنتهم الحالية في هذا القطاع، إلا أن هناك العديد من نقاط الضعف الموجودة فيما يتعلق بتكنولوجيا LIB. هناك مخاوف جدية بشأن الآثار السلبية لاستخراج الليثيوم على البيئة، واستنزاف موارد المياه الثمينة، وتركيز الليثيوم. وتسيطر الصين حاليًا على أكثر من 60% من الطاقة العالمية لتكرير الليثيوم، مما يشكل مخاطر على سلسلة التوريد لدول أخرى.
2. التحديات التي تدفع الليثيوم نحو التقادم
أ. الاعتبارات البيئية والأخلاقية
استخراج الليثيوم له تأثير بيئي كبير للغاية لأن طريقة استخراج الليثيوم تتم من خلال التعدين العميق (وهذا يحدث على أعماق أكبر من 1.5 كيلومتر)، وهو أمر نادر، ولكن له بصمة بيئية ضخمة ويستخدم كمية زائدة من الماء (ما يصل إلى 1 مليون لتر (حوالي 500000 جالون) لكل طن متري من الليثيوم المنتج). وبما أن المياه محدودة للغاية في المناطق التي يتم فيها استخراج الليثيوم (مثل صحراء أتاكاما في شمال تشيلي)، فإن الحاجة إلى المزيد من المياه تخلق ضغطًا أكبر على إمدادات المياه العذبة المتاحة.
ب. عيوب الأداء
على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون هي الشكل الأكثر كفاءة للبطاريات من حيث كثافة الطاقة، إلا أن لها قيودًا محددة:
1. أوقات الشحن الطويلة - تتطلب غالبية أسطول السيارات الكهربائية (EV) الشحن في أي مكان من 30 دقيقة إلى عدة ساعات لتحقيق الشحن الكامل.
2. الطقس البارد – انخفض أداء بطاريات الليثيوم أيون بنسبة 60% تحت درجة التجمد، وبالتالي قد يكون استخدامات المركبات الكهربائية أقل في مناخات الطقس البارد.
3. السلامة - يمكن أن يحدث الهروب الحراري نتيجة للطاقة العالية من بطاريات أيونات الليثيوم، مما يتسبب عادةً في نشوب حريق أو انفجار وما إلى ذلك، على الرغم من ندرة حدوث هذه الأحداث ولكنها موجودة في تطبيقات الطاقة العالية.
ج. نقاط الضعف الجيوسياسية
نتيجة لقدرة الصين الهائلة على تصنيع البطاريات وتكرير الليثيوم في جميع أنحاء العالم، تستثمر الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي والقوى الغربية الأخرى بدرجة أقل بشكل كبير في تصنيع البطاريات المحلية لتقليل اعتمادها على إمدادات البطاريات الصينية.
3. التقنيات الناشئة تتحدى هيمنة الليثيوم
أ. البطاريات ذات الحالة الصلبة-.
تعمل البطاريات المعتمدة على تقنية الحالة-الصلبة على تبديل الإلكتروليتات ذات الحالة الصلبة-بدلاً من الإلكتروليتات السائلة كما هو مستخدم في بطاريات أيون الليثيوم- النموذجية. ومن ثم فإن تقنية بطارية الحالة الصلبة- تتمتع بالعديد من المزايا مقارنة بتقنية بطارية أيون الليثيوم- والتي تشمل:
توفر القائمة التالية نظرة ثاقبة لبعض الأسباب الرئيسية التي تدفع إلى تحول سوق بطاريات السيارات من تكنولوجيا البطاريات السائلة إلى تكنولوجيا البطاريات ذات الحالة الصلبة-. تشير النقاط التالية إلى أن الانتقال إلى تقنية بطاريات الحالة الصلبة-سيتم بسرعة في قطاع السيارات.
السلامة: على الرغم من أن بطاريات الإلكتروليت السائلة تمثل خطرًا متزايدًا للحرائق والمواد الكيميائية الخطرة أثناء الإنتاج، إلا أنه لا يوجد تصنيع للمواد الكيميائية التي يحتمل أن تكون خطرة والتي يتم إنتاجها عن طريق إنتاج بطاريات الحالة الصلبة.
كثافة الطاقة: بالمقارنة مع تقنية أيون الليثيوم- الحالية، والتي يمكنها تخزين ما بين 250 إلى 300 وات ساعة/كجم من الطاقة، فإن بطارية الحالة الصلبة- لديها القدرة على تخزين ما يصل إلى 500 وات ساعة/كجم.
وقت الشحن: على عكس بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية، والتي تتطلب عادةً ساعات ليتم شحنها بالكامل، فقد تبين أن بطاريات الحالة الصلبة- التجريبية تتطلب أقل من 15 دقيقة.
تحول السوق: كما أفاد مصنعو المعدات الأصلية، فإن الكثير منهم بصدد تطوير وإنتاج مجموعة بطاريات ذات حالة صلبة- والتي ستكون متاحة للتسويق في وقت ما خلال السنوات الخمس إلى السبع القادمة (2027-2030).
ب. بطاريات الصوديوم-الأيونية
تختلف بطاريات الصوديوم-أيون (Na-أيون) عن بطاريات الليثيوم-أيون (Li-أيون) ويكون الصوديوم أكثر وفرة وأقل تكلفة من الليثيوم. تشمل مزايا بطاريات أيون الصوديوم- مقارنة ببطاريات أيون الليثيوم- ما يلي:
1. السعر - تكلفة تصنيع بطاريات Na{2}} أيون أقل بنسبة 70% تقريبًا من بطاريات Li- أيون.
2. صديقة للبيئة -صديقة للبيئة - كمية الماء المطلوبة لإزالة الصوديوم أقل بـ 682 مرة من الكمية المطلوبة لإزالة الليثيوم.
3. أداء الطقس البارد - يمكن أن تعمل بطاريات Naion- في درجات حرارة منخفضة للغاية تصل إلى -30 درجة مئوية.
4. السوق المستهدف - وضعت شركات مثل Faradion وCATL أنظارها على تقديم تقنية أيونات الصوديوم- إلى وحدات تخزين الطاقة ذات المستويات الكهربائية والشبكية-. باستخدام تقنية بطاريات Naion-، ستركز هذه الشركات على العملاء ذوي التكلفة الحساسة-.
ج. بطاريات الجرافين-المحسنة
يمكن للجرافين، الذي يتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون، تحسين أداء البطارية بالطرق التالية:
شحن أسرع: يمكن أن تسمح المكثفات الفائقة من الجرافين بشحن الهاتف الذكي أو الجهاز اللوحي بالكامل خلال 15 ثانية تقريبًا.
دورات استخدام أعلى: على عكس بطاريات الليثيوم-أيون التي يتراوح عدد دوراتها بين 500 و2000 دورة، يمكن لبطارية الجرافين تحقيق 10000 دورة.
مقاومة الطقس البارد ستستمر بطاريات الجرافين في العمل بشكل جيد عند درجات حرارة منخفضة للغاية -40 إلى 80 درجة مئوية.
وبحلول عام 2030، يمكن لبطاريات الجرافين، التي تخضع حاليا للاختبار التجريبي، أن تحول خيارات تخزين الطاقة بالكامل لمصادر الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية.
4. هل ستنجو بطاريات الليثيوم؟ سيناريو التعايش
ونظرًا للمرحلة التجريبية، قد تسمح بطاريات الجرافين بتحول جذري نحو أشكال جديدة لتخزين الطاقة في الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية بحلول عام 2030. وحتى مع تنبؤات يوم القيامة المحيطة ببطاريات الليثيوم، فإن انقراضها يبدو غير مرجح إلى حد كبير، مع ميل التنبؤات نحو تقنياتها التي تتعايش مع الابتكارات الجديدة.
ستظل بعض الأسواق المتخصصة تعتمد بشكل كبير على بطاريات الليثيوم-أيون لكثافة الطاقة العالية، مثل الطيران والفضاء باستخدام نظام الإقلاع والهبوط العمودي الكهربائي الجديد-eVTOL. بالإضافة إلى ذلك، من خلال استخدام أنظمة هجينة أو مجموعات هجينة من الليثيوم مع بطاريات أيون-الحالة الصلبة أو بطاريات أيون الصوديوم{4}}، فإن الجمع بين الكيمياء يوفر العديد من المزايا، بما في ذلك تحسين التكلفة والسلامة والأداء وما إلى ذلك. على سبيل المثال، من المرجح أن تستخدم سيارات BMW الكهربائية المستقبلية خلايا-الحالة الصلبة وخلايا أيون الليثيوم- معًا كوسيلة للاستفادة من المزايا الخاصة بكل تقنية.
علاوة على ذلك، فإن الابتكارات في إعادة تدوير خلايا الليثيوم، بما في ذلك خطة الصين لإعادة تدوير 1.2 مليون طن بحلول عام 2025، ستعزز عمر خلايا الليثيوم، كما ستؤدي أيضًا إلى توفير التكلفة والطاقة من خلال تقليل التعدين.
5. الطريق إلى الأمام: الموازنة بين الابتكار والتطبيق العملي
يعتمد التطور إلى نظام "ما بعد-بطارية الليثيوم" على ثلاثة عوامل رئيسية:
1. القدرة التنافسية من حيث التكلفة: لكي تحصل بطاريات الحالة الصلبة- وبطاريات أيون الصوديوم- على حصة سوقية كبيرة، يجب أن تصل إلى ما يعادل 100 دولار أمريكي لكل كيلووات في الساعة حتى يصبح السعر مشابهًا لبطاريات أيون الليثيوم-.
2. قابلية التوسع: يجب أن تكون مصانع التصنيع ذات الحالة الصلبة- مثل خط CATL 20GWh قادرة على التوسع من المصنع التجريبي إلى الإنتاج الضخم (هدف 2027).
3. دعم السياسات: يجب وضع السياسات الحكومية موضع التنفيذ لتشجيع وتحفيز البحث والتطوير والبنية التحتية لإعادة التدوير التي يمكن أن تقلل أو تقضي على مخاطر سلسلة التوريد المرتبطة بالليثيوم.
خاتمة
