ما هي بطارية الحالة الصلبة وستقوم بحل مشاكل عمر البطارية لدينا؟
تتزايد تكنولوجيا الهواتف الجوالة بشكل كبير ، ولكن تقنية البطارية لا تتماشى. إننا نصل إلى الحدود المادية لما يمكن أن تقوم به تصميمات الليثيوم أيونات الليثيوم التقليدية وبوليمرات الليثيوم. قد يكون الحل عبارة عن شيء يسمى بطارية الحالة الصلبة.
ما هي بطارية الحالة الصلبة?
في معظم تصميم البطارية التقليدي ، يتم استخدام أقطاب معدنية صلبة من الليثيوم أيون - اثنين مع ملح ليثيوم سائل يعمل كمحلول كهربائي. تتحرك الجسيمات الأيونية من قطب واحد (الكاثود) إلى القطب الآخر (الأنود) حيث يتم شحن البطارية ، وفي الاتجاه المعاكس عندما يتم تفريغها. السائل المنحل بالكهرباء الليثيوم هو الوسيط الذي يسمح لهذه الحركة. إذا سبق لك أن رأيت بطارية تآكل أو تحصل على ثقب ، فإن "حمض البطارية" الذي ينزح (أو ينفجر في بعض الأحيان) هو بالكهرباء السائل.
في البطارية الصلبة ، يكون كل من الأقطاب الموجبة والسالبة والكهارل بينهما عبارة عن قطع صلبة من المعدن أو السبائك أو بعض المواد الاصطناعية الأخرى. قد يذكرك المصطلح "الحالة الصلبة" بمحركات أقراص بيانات SSD ، وهذا ليس مجرد مصادفة. تستخدم محركات التخزين ذات الحالة الصلبة ذاكرة فلاش ، والتي لا تتحرك ، على عكس محرك الأقراص الثابت القياسي ، الذي يخزن البيانات على قرص مغناطيسي دوار مدعوم بمحرك صغير.
على الرغم من أن فكرة البطاريات الصلبة كانت موجودة منذ عقود ، إلا أن التطورات في تطورها بدأت للتو ، والتي يحفزها في الوقت الحاضر الاستثمار من شركات الإلكترونيات ، وصانعي السيارات ، ومقدمي الخدمات الصناعية العامة..
ما هو أفضل عن بطاريات الحالة الصلبة?
تعد بطاريات الحالة الصلبة بعض المزايا الفريدة من نوعها على أبنائها الذين يمتلئون بالسائل: عمر بطارية أفضل وأوقات شحن أسرع وتجربة أكثر أمانًا.
تعمل البطاريات الصلبة على ضغط الأنود والكاثود والكهارل في ثلاث طبقات مسطحة بدلاً من تعليق الأقطاب الكهربائية في السائل المنحل بالكهرباء. وهذا يعني أنك تستطيع أن تجعلها أصغر أو على الأقل تمسك بقدرات أكبر مثل بطارية أكبر سائلة. لذلك ، إذا قمت باستبدال بطارية ليثيوم أيون أو بطارية ليثيوم بوليمر في هاتفك أو الكمبيوتر المحمول مع بطارية ذات حالة صلبة بنفس الحجم ، فستحصل على شحنة أطول بكثير. بدلاً من ذلك ، يمكنك إنشاء جهاز يحمل الرسوم نفسها أصغر أو أصغر بكثير.
كما أن بطاريات الحالة الصلبة أكثر أمانًا ، نظرًا لعدم وجود سُمية سائلة قابلة للاشتعال ، ولا تنتج الكثير من الحرارة مثل البطاريات القابلة لإعادة الشحن التقليدية. عندما يتم تطبيقه على البطاريات التي تعمل على تزويد الأجهزة الإلكترونية الحالية أو حتى السيارات الكهربائية ، قد تتم إعادة شحنها بشكل أسرع ، ويمكن أن تتحرك الأيونات أيضًا بسرعة أكبر من الكاثود إلى الأنود.
وفقًا لأحدث الأبحاث ، يمكن أن تتفوق بطارية الحالة الصلبة على البطاريات القابلة لإعادة الشحن التقليدية بنسبة 500٪ أو أكثر من حيث السعة ، ويتم شحنها في عشر الوقت.
ما هي عيوبه?
لأن بطاريات الحالة الصلبة هي تكنولوجيا ناشئة ، فهي مكلفة للغاية لتصنيع. وهي في الواقع باهظة الثمن لدرجة أنها غير مثبتة في أي من الإلكترونيات الرئيسية ذات التصنيف الاستهلاكي في وقت كتابة هذا التقرير. في عام 2012 ، قدر المحللون الذين يكتبون من قسم تحليل البرمجيات والمواد المتقدمة التابع لجامعة فلوريدا أن بطارية الحالة الصلبة ذات حجم الهاتف الخليوي ستكلف حوالي 15000 دولار لتصنيعها. واحد كبير بما يكفي لتشغيل سيارة كهربائية سيكلف 100،000 دولار.
إن صنع بطارية صلبة كبيرة بما يكفي لتشغيل هاتفك يكلفك آلاف الدولارات اليوم. جزء من هذا هو أن وفورات الحجم ليست في مكان - مئات الملايين من البطاريات القابلة لإعادة الشحن كل عام في الوقت الحالي ، لذلك يتم توزيع تكلفة التصنيع للمواد والمعدات عبر خطوط الإمداد الضخمة. لا يوجد سوى عدد قليل من الشركات والجامعات التي تقوم بالبحث عن البطاريات الصلبة ، وبالتالي فإن تكلفة إنتاج كل منها تكون فلكية.
قضية أخرى هي المواد. في حين أن خصائص مختلف المعادن والسبائك والأملاح المعدنية المستخدمة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن التقليدية معروفة جيداً ، إلا أننا لا نعرف حالياً أفضل تركيبة كيميائية وتكوين ذري لمحلول كهربائي صلب بين الأنودات المعدنية والكاثودات. البحوث الحالية تضيق هذا ، لكننا نحتاج إلى جمع بيانات أكثر موثوقية قبل أن نتمكن من جمع أو تجميع المواد والاستثمار في عمليات التصنيع.
متى أحصل على استخدام بطارية الحالة الصلبة?
كما هو الحال مع جميع التقنيات الناشئة ، فإن محاولة معرفة متى ستحصل على يديك عليها هي التخمين في أحسن الأحوال.
من المشجع أن العديد من الشركات الضخمة تستثمر في الأبحاث اللازمة لجلب بطاريات صلبة إلى السوق الاستهلاكية ، ولكن من أجل تحقيق اختراق كبير في المستقبل القريب ، فإنه من الصعب القول ما إذا كانت هناك قفزة كبيرة إلى الأمام. تقول شركة سيارات واحدة على الأقل أنها ستكون جاهزة لوضع سيارة في السيارة بحلول عام 2023 ، ولكنها لا تخمن مقدار تكلفة هذه السيارة. خمس سنوات تبدو متفائلة أكثر من اللازم ؛ عشر سنوات تبدو أكثر احتمالا. قد يستغرق الأمر عشرين عامًا أو أكثر قبل أن تتم تسوية المواد ويتم تطوير عمليات التصنيع.
ولكن كما قلنا في بداية المقال ، بدأت تقنية البطاريات التقليدية في الوصول إلى الحائط. وليس هناك شيء مثل المبيعات المحتملة لحفز على البحث والتطوير. من الممكن أن تكون قادراً على استخدام أداة ذكية أو قيادة سيارة مدعومة ببطارية صلبة قريبًا على الأقل (جدًا ، قليل جدًا).
Image credit: Sucharas Wongpeth / Shutterstock، Daniel Krason / Shutterstock
