في عام 1992، أطلقت شركة سوني ثورة في مجال الأجهزة الإلكترونية المحمولة. ومن خلال الاستفادة من عقود من الأبحاث المختبرية على بطاريات أيون الليثيوم، تمكنت 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 لتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري. في حين أن تكلفة صنع بطاريات الليثيوم أيون انخفضت بشكل كبير، مما سمح لمبيعات السيارات الكهربائية بالانطلاق في السنوات الأخيرة، فإن جوهر التكنولوجيا لم يتغير إلا قليلا منذ التسويق التجاري.
ولكن بعد ثلاثة عقود من التحسين التدريجي، قد تنقلب هذه العقيدة رأساً على عقب قريباً. أشارت شركة 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 الإعلانات حول تقنية الجيل التالي من قبل شركة تصنيع السيارات اليابانية في يونيو. وارتفعت قيمتها السوقية بمقدار 26 مليار دولار منذ ذلك الحين.
إذا نجحت تويوتا، فيمكن أن تبدأ في بيع السيارات الكهربائية الأكثر أمانًا، والتي يمكن إعادة شحنها بسرعة أكبر، ويمكنها القيادة لمسافة 1200 كيلومتر بشحنة واحدة – حوالي ضعف المتوسط الحالي للشركة – في وقت مبكر من عام 2027.
يقول بيتر بروس، المؤسس المشارك وكبير العلماء في معهد فاراداي، وهو معهد بريطاني لأبحاث البطاريات: “يجري سباق في جميع أنحاء العالم لتحقيق النجاح في مجال بطاريات الحالة الصلبة”. “إذا نجحت تويوتا أو أي شخص آخر في تصنيع بطاريات الحالة الصلبة ذات التكلفة التنافسية وتوفر العمر المطلوب، فيمكنها تحقيق زيادة في كثافة الطاقة والشحن لمدة 10 دقائق. إذا وصلوا إلى تلك المقاييس، فسيكون ذلك مزعجا”.
إذا تم تقديم التكنولوجيا بنجاح، فقد يكون التأثير هائلاً. ومن شأنه أن يهز صناعة السيارات حيث تهيمن شركة Tesla وBYD وCATL الصينية على مبيعات السيارات الكهربائية والبطاريات؛ وسيكون له آثار جيوسياسية نظراً للقلق الغربي بشأن هيمنة الصين الحالية على البطاريات وموادها الخام؛ ويمكن أن يفتح المجال أمام تطبيق البطاريات في مجالات جديدة من وسائل النقل 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 المشككين. يتساءل النقاد عما إذا كانت القضايا العلمية الأساسية قد تم تناولها؛ ويتساءل آخرون عما إذا كان من الممكن تحقيق تصنيع عالي السرعة وبكميات كبيرة، أو ما إذا كان هناك سوق كبير سيكون موجودًا على الإطلاق.
“إن الإثارة حول بطاريات الحالة الصلبة تعني أن مجموعة الحلول الحالية ليست جيدة بما فيه الكفاية. من الواضح أن هذا غير صحيح. يقول أليكس بروكس، المحلل في شركة كاناكورد جينيوتي: “المبيعات تنمو بنسبة 20 إلى 30 في المائة سنويا، وكل من يحاول تجربتها يقول إنه لن يعود أبدا”. “في الوقت الحالي هو مشروع بحثي مبالغ فيه.”
أثار ادعاء تويوتا الأخير بتحقيق اختراق من جديد السؤال حول مدى السرعة التي ستقدم بها بطاريات الحالة الصلبة مساهمة كبيرة في إزالة الكربون من نظام النقل العالمي. ويطلق 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.
“ولكن هل هذه الابتكارات المثيرة للاهتمام على مستوى المختبر والتي لا يزال أمامها جسر كبير يجب عبوره قبل أن تصبح قابلة للتصنيع، أم أنها شيء يمكن إنتاجه على نطاق واسع قريبًا؟” سأل. “ما زلت أعاني من ذلك.”
أساس متين
تعمل جميع البطاريات بنفس الطريقة: يتدفق تيار من الذرات المشحونة كهربائيًا المعروفة باسم الأيونات عبر مادة كيميائية تسمى المنحل بالكهرباء من القطب الموجب إلى القطب السالب، وهما القطبان الكهربائيان للخلية، مما يولد تيارًا في هذه العملية.
تختلف بطاريات الحالة الصلبة عن خلايا أيون الليثيوم الحالية من حيث أن المنحل بالكهرباء يكون صلبًا وليس سائلًا. يتم اختبار مواد مختلفة، بما في ذلك البوليمرات والأكاسيد والكبريتيدات، باعتبارها إلكتروليتات محتملة. ستكون السيارات التي تستخدم بطاريات الحالة الصلبة أكثر أمانًا، لأن الشوارد السائلة يمكن أن تكون أكثر عرضة لخطر الحرائق.
إن تغيير الإلكتروليت من تلقاء نفسه لن يؤدي بالضرورة إلى تغيير تدريجي في أداء البطارية. وتتوقف الإثارة الحقيقية على التطور التكنولوجي الذي من شأنه أن يتيحه: أنودات معدن الليثيوم. إن استبدال الجرافيت المستخدم في الأنودات الحالية من شأنه أن يساعد في مضاعفة نطاق البطارية، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنها ستكون أخف وزنًا.
واجهت بطاريات الحالة الصلبة تحديات تكنولوجية أساسية طويلة الأمد. أحدها هو صعوبة الحفاظ على أداء البطارية وتجنب الفشل لأن الشحن والتفريغ المتكرر يتسبب في تكوين التشعبات، وهي مجموعات من الليثيوم، والتي يمكن أن تؤدي إلى التشقق. التحدي الآخر هو تمكين الاتصال المستقر بين المواد الصلبة.
“الاختراق” الأول، الذي طالبت به شركة تويوتا في يونيو/حزيران، كان يتعلق بحل المشكلات الفنية المتعلقة بالمتانة، على الرغم من أن التفاصيل كانت ضئيلة حول نوع المواد التي أدت إلى هذا الاختراق. وفي الأسبوع الماضي، أعلنت عن شراكة مع مجموعة البتروكيماويات إديميتسو كوسان لتطوير وإنتاج إلكتروليت الكبريتيد بشكل مشترك، والذي قالت إنه سيكون أساسيًا للتسويق التجاري في غضون خمس سنوات.
وقال شونيتشي كيتو، الرئيس التنفيذي لشركة Idemitsu، في مؤتمر صحفي مشترك مع تويوتا: “نحن واثقون من أن الإلكتروليتات الصلبة القائمة على الكبريتيد هي الحل الواعد لقضايا السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية مثل نطاق الرحلة وأوقات الشحن”.
ويتفق العلماء بشكل متزايد على أن التحديات التكنولوجية الأساسية لم تعد تبدو مستعصية على الحل. وهذا يجعل التحدي التالي هو توسيع نطاق الإنتاج الضخم. تشكل عملية التجميع واحدة من أكبر العوائق، حيث يجب تكديس طبقات خلايا الكاثود والأنود بسرعة وبدقة عالية، دون الإضرار بالمواد.
كما ادعى مهندسو تويوتا التقدم هنا. أصبحت المجموعة الآن واثقة بشكل متزايد من قدرتها على تكديس الخلايا بنفس معدل بطاريات الليثيوم أيون الحالية.
ومع ذلك، لا بد من إزالة عقبات فنية أخرى لتحقيق الإنتاج الضخم على نطاق واسع. وقال أحد مهندسيها خلال جولة في المصنع الشهر الماضي: “ما زلنا بحاجة إلى تحقيق اختراق فيما يتعلق بضمان حجم ونوعية مواد البطارية”.
التأثير العالمي
قد يكون لإدخال بطاريات الحالة الصلبة تأثير عميق على مستقبل صناعة السيارات العالمية.
في الوقت الحالي، تتمتع الصين بالقدرة على السيطرة على المرحلة التالية من الصناعة بسبب ريادتها في كل من تكنولوجيا البطاريات وتصنيعها: فقد أنتجت أكثر من 75 في المائة من البطاريات على مستوى العالم في العام الماضي، وفقا لوكالة الطاقة الدولية.
تعد CATL أكبر شركة لتصنيع البطاريات في العالم، حيث تبلغ حصتها في السوق 37 في المائة. وتعد الشركة التي يقع مقرها في نينغدي هي الشركة الأكثر ربحية لتصنيع البطاريات وتتمتع بميزة تكلفة هائلة، ويرجع ذلك جزئيًا إلى حجمها واستثمارها في البحث والتطوير.
قد تكون الحالة الصلبة هي الطريقة الوحيدة للقفز على بكين في سباق البطاريات. تويوتا ليست الشركة الوحيدة التي تستثمر في هذه التكنولوجيا. نيسان وهوندا لديهما برامجهما الخاصة. وقد أعلن منتجو البطاريات الثلاثة الرائدون في كوريا الجنوبية – LG Energy Solution وSamsung SDI وSK On – عن نيتهم تطوير مثل هذه الخلايا بحلول أواخر عشرينيات القرن الحالي. لدى شركتي كوانتوم سكيب وسوليد باور الأمريكيتين البادئتين، الشريكتين لفولكس فاجن وبي إم دبليو، على التوالي، تواريخ مستهدفة مماثلة لتسويق تقنياتهما الخاصة.
يقول أكيتوشي هاياشي، الأستاذ في جامعة أوساكا متروبوليتان، إنه سيكون من الصعب للغاية إنتاج بطاريات الحالة الصلبة بكميات كبيرة بنفس جودة بطاريات الليثيوم أيون الحالية، ولكن إذا تم تحقيقها، فإن التكنولوجيا ستكون “لا تقبل المنافسة على مستوى العالم”.
ويضيف: “بطاريات الحالة الصلبة ستكون أساسية لإحياء شركات صناعة السيارات اليابانية، التي تتخلف في استراتيجية السيارات الكهربائية، وبالنسبة لليابان، التي فقدت حصتها في السوق العالمية في بطاريات أيون الليثيوم”.
وتتحكم الصين أيضًا في معالجة المواد الخام للبطاريات. يمكن لبطاريات الحالة الصلبة أن تقلل من بعض نقاط الضعف، مثل الاعتماد الحالي على الجرافيت، والذي فرضت بكين قيودًا على تصديره الأسبوع الماضي. لكنها لن تفعل الكثير لتخفيف النقص المتوقع في الليثيوم لأنها ستستهلك أكثر من البطاريات الحالية.
قادة الصناعة في الصين وكوريا أقل تفاؤلاً بشأن تحقيق بطاريات الحالة الصلبة لوعودهم. وفقًا لشخص مقرب من CATL، كان باحثو المجموعة الصينية يعملون طوال العقد الماضي على كسر بطاريات الحالة الصلبة. لم يتوصلوا بعد إلى نظام فعال من حيث التكلفة للإنتاج الضخم – وداخليا في شركة CATL، هناك شكوك في أن شركة تويوتا حققت ذلك.
يتفق قادة الصناعة الكورية على ذلك. يقول أحد المسؤولين التنفيذيين: “إن تطوير المنتج وتسويقه أمران مختلفان”. “تتحدث تويوتا عن الإنتاج الضخم لبطاريات الحالة الصلبة منذ أكثر من 10 سنوات، لكنها تستمر في تأخير التوقيت.”
عوائق التصنيع
وحتى إذا كان من الممكن التغلب على تحديات التكنولوجيا والتوسع، فمن غير المعروف ما إذا كانت بطاريات الحالة الصلبة قادرة على خفض تكاليف الإنتاج في الوقت المناسب لتسريع الانتشار العالمي للمركبات الكهربائية.
سوف تساعد وفورات الحجم على تقليل التكاليف. لكن أداء وتكلفة بطاريات الليثيوم أيون الحالية تتحسن أيضًا باستمرار، حيث تحقق تقنيات أخرى مثل أنودات السيليكون تقدمًا. 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.
إذا لم تنخفض التكاليف بما فيه الكفاية، فقد ينتهي الأمر ببطاريات الحالة الصلبة إلى أن تقتصر على السيارات الفاخرة أو النقل بالشاحنات. يقول كيم دونج ميونج، رئيس قسم بطاريات السيارات المتقدمة في شركة LGES الكورية، إن إنتاجها “مكلف للغاية” وستكون هناك “تطبيقات محدودة للغاية”. حتى لو سارت الأمور كما هو مخطط لها، فإن بطاريات الحالة الصلبة يمكن أن تستحوذ على نحو 10 في المائة فقط من إجمالي سوق السيارات الكهربائية بحلول عام 2035، وفقا لتقديرات لي كيونج سوب، رئيس أعمال مواد البطاريات في المجموعة الكورية بوسكو.
كان الرئيس التنفيذي لشركة تويوتا كوجي ساتو نفسه مترددًا في وصف بطاريات الحالة الصلبة بأنها “مغير قواعد اللعبة” للفوز بسباق السيارات الكهربائية العالمي. وأشار ساتو إلى أنه سيتم طرح بطاريات الحالة الصلبة في البداية بكميات صغيرة في الطرازات المتطورة، في حين سيستمر استخدام بطاريات الليثيوم أيون في السيارات ذات الأسعار المعقولة.
وقال ساتو الأسبوع الماضي: “ستكون تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة عاملاً بالغ الأهمية من حيث بناء قوتنا الإجمالية في مختلف منتجات البطاريات المتوفرة لدينا”. “لكن البطاريات وحدها لن تحدد قيمة سيارتنا.”
يتفق العديد من المسؤولين التنفيذيين في الصناعة على أن التقنيات المكونة للحالة الصلبة سيتم دمجها تدريجياً في البطاريات الحالية. ويبدو أن شركة CATL تخطط للقيام بذلك بالضبط، حيث كشفت في أبريل عن بطارية جديدة “مكثفة” أو “شبه صلبة”، ذات كثافة طاقة مضاعفة للنماذج الحالية.
يقول جلين ميرفيلد، كبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة ألبيمارل، أكبر شركة منتجة لليثيوم في العالم: “إن البطارية ذات الحالة الصلبة الكاملة هي الخيار الأمثل لما نريد أن نذهب إليه”. “بطاريات الليثيوم أيون اليوم سوف تتطور في نهاية المطاف لتبدو هكذا.”
ورغم كل العقبات التقنية التي لا تزال قائمة، يعتقد بعض المراقبين أن التأثير المحتمل قد يكون عميقا. ومن الممكن أن تفتح البطارية ذات الأداء المحسن بشكل كبير الباب أمام إعادة تصميم العديد من جوانب التنقل العالمي، بدءاً من سيارات الأجرة الآلية إلى الطيران الإقليمي وأنواع جديدة من الطائرات بدون طيار.
“يجب على الحالة الصلبة أن تفي بالمهمة. وظيفة البطاريات الجديدة ليست استبدال البطاريات القديمة أبدًا. يقول شيرلي مينج، أستاذ البطاريات في جامعة شيكاغو: “إنها تهدف إلى إطلاق العنان لأشياء لم نتمكن من القيام بها سابقًا”. “من خلال الاستفادة من نطاق القيادة الجديد ووقت الشحن، تعيد شركات السيارات اليابانية تصور مستقبل النقل.”
شارك في التغطية إدوارد وايت في سيول
