تكنولوجيا البطاريات الصلبة: اختراق محتمل يتشكل في ماريلاند

في ركن هادئ من مدينة بيلتسفيل، ماريلاند، تتكشف صفحة جديدة في عالم تكنولوجيا البطاريات. شركة Ion Storage Systems، التي بدأت كمشروع بحثي جامعي، برزت كأحد أبرز المنافسين في سباق تطوير البطاريات الصلبة — التقنية التي طال انتظارها ولكن نادرًا ما تم تحقيقها على نطاق تجاري واسع.

بعد زيارة حديثة لمصنع الشركة في ماريلاند، خلصت صحيفة The Wall Street Journal إلى أن Ion Storage Systems تتمتع بفرصة حقيقية لتحقيق هذا الاختراق. بدعم من وزارة الطاقة الأمريكية ومستثمرين خاصين، بدأت بطاريات الشركة تخرج من خطوط الإنتاج، مع اختبار وحدات أولية من قبل وزارة الدفاع الأمريكية وشركات إلكترونيات كبرى.

ما هي البطاريات الصلبة ولماذا هي مهمة؟

تُوصف البطاريات الصلبة غالبًا بأنها الكأس المقدسة لتخزين الطاقة. على عكس البطاريات التقليدية من نوع ليثيوم-أيون التي تستخدم إلكتروليت سائل وأنود من الجرافيت، تستبدل البطاريات الصلبة السائل بمواد خزفية صلبة وغالبًا ما تستخدم معدن الليثيوم كأنود.

هذا التصميم يقدم العديد من المزايا، مثل:

• كثافة طاقة أعلى

• شحن أسرع

• عمر افتراضي أطول

• أمان أعلى، حيث أن الفاصل الخزفي الصلب غير قابل للاشتعال، مما يقلل بشكل كبير من مخاطر السخونة الزائدة أو اندلاع الحرائق التي تحدث أحيانًا في بطاريات الليثيوم التقليدية.

الابتكار التقني في تصميم البطارية

تكمن الابتكارات في الإلكتروليت الخزفي الفريد الذي طورته Ion Storage Systems. تعاني معظم البطاريات الصلبة من مشاكل التوسع والانكماش (المعروف بـ”التنفس”) أثناء عمليات الشحن والتفريغ، لكن الهيكل الثلاثي الأبعاد للخزف يعمل كفاصل ووسادة في آنٍ واحد.

تسمح المسام في الخزف لأيونات الليثيوم بالتحرك بكفاءة بين الأقطاب الكهربائية، مع استيعاب التغيرات الفيزيائية التي تحدث خلال دورات الشحن، مما يلغي الحاجة لأنظمة ضغط ثقيلة أو صفائح معدنية أو زنبركات، التي تزيد من حجم وتعقيد تصميم البطارية.

النتيجة: بطارية يمكن تعبئتها في حقائب رقيقة ومرنة مشابهة لبطاريات الليثيوم-أيون الحالية، مع تحسينات كبيرة في الأداء والسلامة.

التحديات الصناعية وفرص التوسع

تصنيع هذه البطاريات يتطلب بيئات نظيفة بدقة شديدة، وعمليات أقرب لتصنيع أشباه الموصلات منها إلى تجميع البطاريات التقليدي. استثمرت Ion مؤخرًا في أفران تصليب متقدمة لتوسيع إنتاجها الخزفي، مع خطط للانتقال من الإنتاج التجريبي إلى الإنتاج التجاري.

تمتلك الشركة منشأة تبلغ مساحتها 33,000 قدم مربع، ويعمل بها 75 موظفًا مع خطط لمضاعفة العدد مع تصاعد الإنتاج.

الإنجازات التقنية والتطبيقات المستقبلية

اختبرت خلايا بطاريات Ion أكثر من 1,000 دورة شحن في المختبر، مع احتفاظ بأكثر من 80% من السعة، وهو معيار مهم للأجهزة الإلكترونية والسيارات الكهربائية. بخلاف العديد من نماذج البطاريات الصلبة التي تحتاج لضغط خارجي، تصميم Ion لا يحتاج إلى ضغط أو أنود خارجي، مما يبسط التصنيع والتكامل.

الطريق إلى التسويق التجاري معقد جدًا في صناعة البطاريات، حيث تفشل تقنيات واعدة كثيرة في تخطي عتبة الإنتاج الواسع أو تلبية المتطلبات العملية. رغم ذلك، جذبت Ion اهتمامًا كبيرًا من الجهات الحكومية والصناعية. حصلت مؤخرًا على تمويل بقيمة 20 مليون دولار من برنامج ARPA-E التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، بالإضافة إلى استثمارات خاصة.

الشراكات والدعم الاستراتيجي

تتعاون Ion مع شركات مواد عالمية مثل Saint-Gobain وشركات تكنولوجية مثل KLA لتحسين عملياتها والاستعداد لدخول السوق بشكل أوسع.

كما تخضع البطاريات لتقييم لاستخدامات عسكرية حيث تُعد السلامة والاعتمادية أولوية قصوى، بالإضافة إلى التطبيقات في الإلكترونيات الاستهلاكية التي تتطلب عمر بطارية أطول وشحنًا أسرع.

الأهمية الاستراتيجية للولايات المتحدة

تمثل تطوير هذه التكنولوجيا محليًا أولوية استراتيجية للولايات المتحدة وحلفائها، لما يوفره من فرصة لتقليل الاعتماد على موردي البطاريات الأجانب والتفوق على المنافسين في الانتقال العالمي للطاقة النظيفة.