هل تقود بطاريات الليثيوم المعدني التحول إلى السيارات الكهربائية؟

على الرغم من كل الضجيج الإعلامي والآمال المتعلقة بالسيارات الكهربائية، إلا أن مبيعاتها لا تشكل حتى اليوم سوى 2% فقط من مبيعات السيارات الجديدة في الولايات المتحدة وأكثر من ذلك بقليل على مستوى العالم. وبالنسبة للعديد من المشترين، فهي ببساطة باهظة الثمن، ونطاقها محدود للغاية، وشحنها لا يتم بسرعة وبساطة إعادة التزود بالوقود من المضخة.

ترتبط جميع هذه القيود ببطاريات الليثيوم أيون التي تشغل المركبات الكهربائية؛ فهي مكلفة وثقيلة وسريعة التفريغ. ومما زاد الطين بلة هو اعتماد هذه البطاريات على كهارل سائلة قابلة للاشتعال في حالة وقوع اصطدام.

من أجل منح السيارات الكهربائية قدرة أكبر على منافسة سيارات الوقود، فإنها تحتاج إلى بطارية متطورة تحلّ جميع المشاكل آنفة الذكر، وفقاً لتعبير جاغديب سانج، الرئيس التنفيذي لشركة كوانتوم سكيب (QuantumScape)، وهي شركة ناشئة في وادي السيليكون تقول إنها نجحت في تطوير التكنولوجيا اللازمة لذلك.

تؤكد الشركة أنها تمكنت من ذلك من خلال حل لغز كيميائي حيّر الباحثين لما يقرب من نصف قرن والمتمثل في كيفية استخدام الليثيوم، أخف معدن في الجدول الدوري، لزيادة كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في البطارية دون التسبب في الخطر المعتاد لإمكانية نشوب حريق ودون التسبب بأي تراجع في الأداء. وتقول الشركة إنها نجحت في ذلك بشكل أساسي من خلال تطوير نسخة صلبة من الكهرل السائل القابل للاشتعال.

لقد أثار هذا الابتكار اهتمام شركة فوكس فاجن بما يكفي لاستثمار مئات الملايين من الدولارات في كوانتوم سكيب. كما وافقت الشركة الألمانية العملاقة في مجال صناعة السيارات على إقامة مشروع مشترك مع الشركة الناشئة لإنتاج البطاريات بكميات كبيرة وتقول إنها ستعتمد عليها في سياراتها وشاحناتها الكهربائية العاملة على الطرقات بحلول عام 2025.

شحنٌ أسرع ونطاقٌ أبعد

في بطارية الليثيوم أيون التقليدية، يتكون أحد القطبين، الأنود أو القطب الموجب، في معظمه من الجرافيت. وهو أحد أشكال الكربون الذي يستطيع بسهولة امتصاص وإطلاق أيونات الليثيوم المشحونة والمتنقلة ذهاباً وإياباً بين الأنود والكاثود (القطب السالب) عبر الكهرل. ينتج سيل الجسيمات المشحونة تياراً كهربائياً يتدفق خارج البطارية لتشغيل كل ما يحتاج إلى الطاقة. لكن الجرافيت ليس إلا مضيفاً لأيونات الليثيوم، التي تستقر بين صفائح من الكربون مثل الرزم على الرفوف، وهو مادة ثقيلة الوزن لا تخزن الطاقة ولا تنتج تياراً كهربائياً لوحدها.

في بطارية الليثيوم المعدني، يتم صنع الأنود نفسه من الليثيوم. هذا يعني إمكانية الاستفادة من كل ذرة تقريباً في أنود البطارية لتوليد التيار. من الناحية النظرية، يمكن أن يخزن أنود الليثيوم المعدني طاقة أكثر بنسبة 50% من الجرافيت الذي يمتلك الوزن والحجم نفسه.

ومع ذلك، ونظراً لكون الليثيوم المعدني شديد التفاعل، فإن التماس المستمر مع كهرل سائل قد يتسبب بتفاعلات تؤدي إلى تلف البطارية أو احتراقها، كما يقول فينكات فيزواناثان، الأستاذ المشارك في جامعة كارنيغي ميلون والذي يعمل على بطاريات الليثيوم المعدني ويشغل منصب خبير استشاري في كوانتوم سكيب. هناك مشكلة أخرى أيضاً وهي أنه مع تدفق أيونات الليثيوم ذهاباً وإياباً، يمكن أن تتشكل هياكل شبيهة بالإبر، معروفة باسم التشعبات، في البطاريات وتؤدي إلى قصر دارة البطارية أو اشتعالها.

لا تزال كوانتوم سكيب، التي تحولت إلى شركة مساهمة علنية في نوفمبر بعد العمل في الظل على مدة عقد من الزمن، تحجم عن الكشف عن بعض التفاصيل الهامة حول كيفية تغلب بطارية الكهارل الصلبة على هذه المشاكل. ولكن يبدو أنها تحقق أداءً جيداً بشكل ملحوظ.

تقول نانسي دودني، باحثة في مجال البطاريات في مختبر أوك ريدج الوطني التي قدمت أبحاثاً رائدة في مجال كهارل الحالة الصلبة: "لقد فاجأتني شركة كوانتوم سكيب. للوهلة الأولى، يبدو ما حققوه جيداً حقاً"، لكنها تضيف: "لقد شعرنا بهذا النوع من الذهول عندما حققنا تطورات أخرى في أداء البطارية".

في الواقع، يعجّ مجال البطاريات بأمثلة على شركات ناشئة وعدت بتطوير تقنيات مذهلة لكنها فشلت في النهاية. ويبدو أن هناك تحديات صعبة في انتظار كوانتوم سكيب، لا سيما عندما يتعلق الأمر بتحويل خلايا النموذج الأولي إلى منتجات تجارية يمكن تصنيعها بسعر رخيص.

إذا نجحت الشركة في مسعاها، فقد تحدث تحولاً جذرياً في سوق السيارات الكهربائية؛ إذ إن خفض التكاليف، وتوسيع النطاق، وتسهيل عملية الشحن لتغدو مشابهة لتعبئة الوقود في المحطة، قد يؤدي إلى زيادة الطلب بما يتجاوز الأشخاص الذين يمكنهم تحمل إنفاق آلاف الدولارات لتزويد منازلهم بمنافذ الشحن، وتهدئة مخاوف أولئك الذين يخشون أن تخذلهم السيارات الكهربائية في الرحلات الطويلة.

كما أن كثافة الطاقة المضافة والشحن الأسرع يمكن أن يسهلا تحويل وسائط النقل الأخرى إلى الاعتماد على الكهرباء بما في ذلك النقل بالشاحنات لمسافات طويلة وحتى الرحلات الجوية القصيرة. (هناك فائدة إضافية أخرى تتمثل في تمكين الهواتف والحواسيب المحمولة من العمل لمدة يومين على البطارية قبل أن تحتاج إلى إعادة شحن).

اقرأ أيضاً: بطاريات الليثيوم-أيون تخطو خطوة كبيرة عبر منتج صغير

قصة ولادة بطارية

بدأت قصة بطاريات الليثيوم المعدني في أوائل السبعينيات من القرن الماضي وهي متداخلة بشدة مع تطوير بطاريات الليثيوم أيون التي نعتمد عليها اليوم. حيث إن أزمات النفط في تلك الحقبة، إلى جانب ما تبين لاحقاً أنه مخاوف مبكرة جداً من ذروة استهلاك النفط، قد أعادت فجأة تحفيز الاهتمام بالسيارات الكهربائية لأول مرة منذ بداية صناعة السيارات.

بحلول عام 1972، كانت كل من شركة أميريكان موتورز، وكرايسلر، وفورد، وجنرال موتورز، وتويوتا، وفوكس فاجن، وغيرها تعمل على تطوير السيارات الكهربائية، وفقاً لما سرده كاتب العلوم سيث فليتشر في كتابه "الإنارة المعبأة" (Bottled Lighting). وفي الوقت نفسه، كانت المختبرات الصناعية الكبيرة، بما في ذلك تلك الموجودة في جنرال إلكتريك وداو كيميكالس وإكسون، تبحث عن مركبات كيميائية أفضل لصناعة البطاريات.

كان أداء البطاريات في ذلك الوقت، والتي كانت في معظمها بطاريات رصاص حمضية، بعيداً جداً عن تمكين السيارات من بلوغ المسافات أو السرعات التي توفرها محركات الوقود. ففي عام 1969، تفاخرت جنرال موتورز بسيارتها الكهربائية 512 التجريبية التي كانت سرعتها القصوى تبلغ حوالي 48 كيلومتر في الساعة بمدى يصل إلى 75 كيلومتر.

في عام 1972، وظف قسم الأبحاث في إكسون كيميائياً شاباً اسمه ستان ويتنجهام بناءً على تميز أبحاثه في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد. على وجه التحديد، كان ويتنجهام يعمل على تطوير مواد بلورية تسمح للأيونات بالتدفق دخولاً وخروجاً بسهولة. في إكسون، بدأ ويتنجهام وزملاؤه بتجربة مادة واعدة مسامية لاستخدامها في الكاثود وهي ثاني كبريتيد التيتانيوم. وقد قاموا بإقرانها بأنود مصنوع من الليثيوم المعدني، وهي مادة شديدة التفاعل تطلق إلكتروناتها بسهولة. وقد حقق هذا الخليط أداءً مدهشاً.

تقدم الفريق بطلب للحصول على براءة اختراع في عام 1973، ونشر ورقة بحثية بارزة في مجلة ساينس في عام 1976، وعرض نسخة أكبر من الخلايا في معرض للسيارات في عام 1977.

بحلول أوائل الثمانينيات، كانت أزمة النفط قد انتهت. وقررت الإدارة الجديدة لشركة إكسون التخلي عن أي خط أعمال لا يتمتع بإمكانية التحول إلى سوق تبلغ قيمته السنوية 100 مليون دولار. تخلت الشركة عن جهود تطوير المركبات الكهربائية والبطاريات. يقول ويتنجهام: "قالوا حينئذٍ: ’ إن قيمة هذه الأبحاث ضئيلة جداً بالنسبة لنا مما يفقدنا رغبة الانخراط فيها’".

بطاريات الليثيوم- أيون تهيمن على السوق

رغم أن بطاريات الليثيوم المعدني كانت أفضل بكثير من بطاريات الرصاص الحمضية، لكنها كانت تعاني من عيوب متأصلة عجز فريق إكسون عن حلها، بما في ذلك سمتها المعتادة في إشعال الحرائق في المختبر. كما واجه الآخرون الذين حاولوا تسويق بطاريات الليثيوم المعدنية مشاكل مماثلة. في الثمانينيات من القرن الماضي، طورت شركة مولي إنرجي (Moli Energy) في كولومبيا البريطانية بطارية ليثيوم معدنية باستطاعة 2,2 فولت للحواسيب المحمولة والهواتف الخليوية. ولكن في عام 1989، اشتعلت النار في هاتف خليوي ياباني، مما أدى إلى حرق مالكه. بعد التحقيق، ألقى باللوم على البطارية، وتم سحب آلاف الهواتف الخليوية وخضعت الشركة للحراسة القضائية، وفقاً لموقع إلكتريك أوتونومي كندا.

في غضون ذلك، كان آخرون يحاولون مواصلة أبحاث ويتنجهام والبناء عليها. فقد استخدم جون جودناف، وهو الآن أستاذ في جامعة تكساس في أوستن، أكسيد الكوبالت بدلاً من ثاني كبريتيد التيتانيوم لتطوير كاثود يستطيع تخزين المزيد من الطاقة. بينما قام أكيرا يوشينو، الأستاذ بجامعة ميجو، باستبدال أنود الليثيوم النقي بفحم الكوك (شكل آخر من الكربون)، والذي تمتع بقدرة مماثلة على تخزين الكثير من أيونات الليثيوم مع تقليل مخاطر الاشتعال في الوقت نفسه. أخيراً، قام باحثون من شركة سوني بتجميع قطع لتطوير أول بطاريات الليثيوم أيون التجارية في عام 1992. وتقاسم ويتنجهام وجودناف ويوشينو جائزة نوبل في الكيمياء في عام 2019 لمساهماتهم في تحقيق هذا الإنجاز.

أدى النجاح الجامح لبطاريات الليثيوم أيون، المستخدمة اليوم في الحواسيب المحمولة والهواتف والمركبات الكهربائية، إلى القضاء على الجهود المبذولة لتسويق تكنولوجيا الليثيوم المعدني لسنوات قادمة. لكن البعض لم يغفل أبداً عن قدرة الليثيوم المعدني على توفير شكل أكثر كفاءة لتخزين الطاقة. وبدا استبدال الكهارل السائلة القياسية، وهي عملياً عبارة عن محاليل قابلة للاحتراق، بمواد صلبة وسيلة واعدة فعلاً وتستحق الاستكشاف.

حوالي العام 2000، استعرض فريق من مختبر أوك ريدج الوطني بطاريات رقيقة- النوع المستخدم في الإلكترونيات الصغيرة مثل البطاقات الذكية وأجهزة تنظيم ضربات القلب- تستخدم تقنية الليثيوم المعدني ذو الحالة الصلبة. يقول بول ألبرتوس، خبير البطاريات في جامعة ميريلاند، إن عملية الإنتاج وحجم وشكل بطاريات الأغشية الرقيقة تحد في الغالب من استخدامها في أي شيء يزيد حجمه عن حجم ساعة اليد. لكن عمل هذا الفريق قدم إثباتاً هاماً على إمكانية نجاح مفهوم بطارية الليثيوم المعدني.

اقرأ أيضاً: ما الذي نحتاج إليه بعد فوز مخترعي بطاريات الليثيوم-أيون بجائزة نوبل؟

طريق محفوف بالمخاطر

بدأت العديد من الشركات الناشئة في استئناف جهود تطوير هذه التكنولوجيا مرة أخرى بحلول أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. لكنها اكتشفت لاحقاً أنه مسار محفوف بالمخاطر والمفاجآت.

وقد فشل بعض هذه الشركات وأغلقت أبوابها بالفعل؛ حيث تم شراء شركة سيو (Seeo)، التي تأسست في عام 2007، من قبل شركة بوش الألمانية، التي قامت فيما بعد بتفكيك الفرق العاملة على أبحاث البطاريات. كانت شركة بولوريه (Bolloré) التي تتخذ من فرنسا مقراً لها أول من وضع بطاريات الليثيوم المعدنية ذات الحالة الصلبة في المركبات وقام بتجربتها على الطريق، حيث أطلقت برامجها لمشاركة السيارات بلوكار (Bluecar) في عام 2011. لكن الكهارل القائمة على البوليمر التي استخدمتها تعمل فقط في درجات حرارة أعلى، مما يحد من استخدامها في المركبات التجارية.

ومع ذلك، فقد حقق عدد قليل من الشركات الأخرى تقدماً في الآونة الأخيرة. على وجه الخصوص، بعد يومين من عرض كوانتوم سكيب التقديمي في ديسمبر الماضي، أعلنت شركة سوليد باور (Solid Power)، وهي شركة ناشئة في كولورادو تأسست في 2012، أنها بدأت بالفعل في إنتاج مجموعات تجريبية من الخلايا التي تضم 22 طبقة من الليثيوم المعدني، قائلة إنها قادرة على منح السيارات الكهربائية نطاق عمل أوسع من النطاق الذي توفره بطاريات السيارات الكهربائية اليوم.

وفي يناير، أعلن قسم (ARPA-E) التابع لوزارة الطاقة الأميركية أنه سيستثمر 9 مليون دولار في أبحاث شركة البطاريات 24 إم (24M) وفيزواناثان الأستاذ في كارنيغي ميلون، لتطوير بطاريات الليثيوم المعدني المصممة للطائرات الكهربائية، حيث تعد الطاقة المخزنة والطاقة التي يتم توصيلها لكل كيلوغرام أمراً بالغ الأهمية.

قصة تأسيس كوانتوم سكيب

كان التحدي الأكبر الذي يواجه أي شركة تعمل على تطوير بطاريات الليثيوم المعدنية هو تحديد المواد التي يمكن استخدامها في الكهرل والتي تمنع الحرائق والتشعبات مع السماح للأيونات بالمرور بسهولة ودون الإضرار بأداء البطارية. وهذا بالضبط ما تدعي شركة كوانتوم سكيب أنها نجحت في تحقيقه.

تعود بدايات تأسيس الشركة إلى عام 2009، عندما كان سانج يستعد للتنحي عن منصبه كرئيس تنفيذي لشركة إنفينيرا (Infinera)، وهي شركة شبكات شارك في تأسيسها، بدأ يتحدث مع زميل ما بعد الدكتوراه في ستانفورد تيم هولمي والمشرف عليه، فريدريك برينز، حول تأسيس شركة انطلاقاً من أبحاثهم حول مواد جديدة للبطاريات.

شارك الثلاثي في تأسيس شركة كوانتوم سكيب في العام التالي، بهدف تطوير بطاريات كثيفة الطاقة ذات خرج طاقة عالٍ. وقد حاولوا أولاً القيام بذلك عن طريق إنشاء نوع جديد تماماً من البطاريات يُعرف باسم بطارية كلية الإلكترونات، لكنهم وجدوا أن مسعاهم سيكون أصعب مما بدا عليه في البداية.

بحلول ذلك الوقت، كانت الشركة قد جمعت عشرات الملايين من الدولارات من شركات رأس المال الجرئ مثل كلينر بيركنز (Kleiner Perkins) وخوصلة فينتشرز (Khosla Ventures). وقد وفرت تلك الاستثمارت لشركة كوانتوم سكيب ما يكفي من المال لتغيير اتجاهها بهدوء والسعي وراء حلم تكنولوجيا الليثيوم المعدني.

يقول سانج إن الشركة أمضت السنوات الخمسة التالية في البحث عن المادة المناسبة تماماً لتطوير كهرل في حالة صلبة. ثم أمضت خمسة سنوات أخرى في العمل على التركيب الصحيح وعملية التصنيع لمنع العيوب والتشعبات. لكن الشركة لا تكشف شيئاً عن الكهرل الذي طورته باستثناء أنه سيراميك.

هل نضجت تكنولوجيا بطاريات الليثيوم المعدني الجديدة؟

قامت كوانتوم سكيب بإجراء جميع اختباراتها المنشورة حتى الآن على خلايا أحادية الطبقة. وحتى تتمكن من تشغيل السيارات عليها، ينبغي على الشركة أن تنتج بطاريات تضم عشرات الطبقات، ما يعني عملياً الانتقال من سماكة بطاقة لعب واحدة إلى سماكة مجموعة كاملة من أوراق اللعب. وسيتوجب عليها إيجاد طريقة لتصنيع هذه الخلايا بسعر رخيص بما يكفي لمنافسة أيونات الليثيوم، وهي تكنولوجيا البطاريات التي فرضت هيمنتها لعقود من الزمن.

إنها مهمة هندسية شاقة. يقول ألبرتوس، من جامعة ماريلاند: "لقد قطعوا شوطاً على الطريق حتى الآن، بعد 10 سنوات و 300 مليون دولار و 150 شخصاً يعملون على هذا، لديهم اليوم ورقة اللعب الصغيرة هذه. لا يزال أمامهم طريق طويل قبل أن يتمكنوا من تصنيع البطاريات بمقياس آلاف الأطنان المترية وهو تحد صعب حقاً". وقد أخبرني العديد من الباحثين في مجال البطاريات أنهم يشككون بشدة في قدرة كوانتوم سكيب على توسيع نطاق اختبارات السلامة الكاملة وإتمامها في الوقت المناسب لوضع البطاريات في السيارات العاملة على الطريق بعد أربع سنوات فقط من الآن.

بالنظر إلى نتائج الشركة والإعلانات المشجعة من الشركات الناشئة الأخرى، يعتقد معظم الأشخاص في عالم البطاريات أنه من المرجح أن يتم حل المشكلات التي عرقلت تطوير تكنولوجيا الليثيوم المعدني لعقود، وهذا هو سبب وجودها في قائمة إم آي تي تكنولوجي ريفيو للاختراقات التقنية هذا العام. ولكن من الواضح أيضاً أنه على الرغم من كل التقدم الذي تم إحرازه منذ حقبة ويتنجهام في إكسون، لا يزال أمامنا سنوات مع العمل.