تصميم واجهة منخفض الضغط ومتين لبطارية الحالة الصلبة بالكامل من الكبريتيد

2026-09-22 | Jerry Huang

ملاحظة المحرر: في 21 أبريل 2026، نشر فريق الأكاديمي شوليانغ صن وتشانغ هونغ وانغ في معهد إيسترن للتكنولوجيا في نينغبو بحثًا بعنوان "واجهة مطاطية أيونية لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل منخفضة الضغط والمتينة" في مجلة مواد الطاقة المتقدمة. تقترح هذه الدراسة استراتيجية واجهة مطاطية موصلة أيونيًا، تُنشئ واجهة مركبة تجمع بين المرونة الميكانيكية والتوصيل الأيوني، مما يُمكّن من التشغيل المستقر لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل (ASSBs) تحت ضغط خارجي منخفض. يُظهر المطاط الأيوني المصمم، والمكون من SIBS (بوليمر ستايرين-إيزوبوتيلين-ستايرين) وLiTFSI-G3 (ليثيوم بيس(تريفلورو ميثان سلفونيل) إيميد مع تريجلايم)، أداءً شاملاً متميزاً: موصلية أيونية عند درجة حرارة الغرفة تبلغ 0.3 ملي سيمنز/سم، وموصلية إلكتروليت مركبة تصل إلى 5.23 ملي سيمنز/سم، ومعامل مرونة منخفض يبلغ 29.8 ميجا باسكال، وثبات حراري ممتاز (≥400 درجة مئوية). وبفضل تصميم هذا السطح البيني، توفر البطارية سعة أولية تبلغ 200 ملي أمبير/غرام عند ضغط منخفض لا يتجاوز 5 ميجا باسكال، وتحقق استقراراً في دورات الشحن والتفريغ لأكثر من 700 دورة بمعدل 1C. ويُعزى هذا الفضل إلى جهود الباحثين في إيجاد حل رئيسي لمعالجة السطح البيني في بطاريات الحالة الصلبة القائمة على الكبريتيد.

خلاصة

تُبشّر بطاريات الحالة الصلبة بالكامل (ASSBs) بمستقبل واعد كأنظمة تخزين طاقة من الجيل القادم، وذلك بفضل كثافة طاقتها العالية وأمانها المتأصل. إلا أن تطبيقها العملي يعيقه الحاجة إلى ضغط خارجي مرتفع (عادةً عشرات الميغاباسكال) للحفاظ على التلامس بين الأسطح الصلبة وضمان استقرار دورات الشحن والتفريغ على المدى الطويل. في هذه الدراسة، نقدم مطاطًا أيونيًا مصممًا خصيصًا لتمكين تشغيل بطاريات الحالة الصلبة بالكامل بشكل مستقر تحت ضغط منخفض للغاية. يجمع هذا المطاط بين مصفوفة بوليمرية مرنة ميكانيكيًا وطور موصل أيوني، مما يوفر موصلية أيونية عالية عند درجة حرارة الغرفة (0.3 ملي سيمنز/سم)، ومعامل مرونة منخفض (29.8 ميجا باسكال)، واستقرارًا حراريًا ممتازًا (≥400 درجة مئوية)، وتوافقًا كيميائيًا قويًا مع الإلكتروليتات الصلبة القائمة على الكبريتيد. عند دمجه مع إلكتروليتات الحالة الصلبة الكبريتيدية، يُظهر المركب موصلية أيونية ملحوظة عند درجة حرارة الغرفة تبلغ 5.23 ملي سيمنز/سم. يؤدي دمج هذا المركب في بطاريات الحالة الصلبة ذات المهابط عالية النيكل (Ni ≥ 90%) إلى سعة أولية تبلغ 200 مللي أمبير/غرام عند 0.05C، واستقرار دوري ممتاز لأكثر من 700 دورة عند 1C تحت ضغط منخفض لا يتجاوز 5 ميجا باسكال. تُخفف هذه الاستراتيجية القائمة على المطاط الأيوني من التدهور الكهروكيميائي والميكانيكي، وتُغني عن الحاجة إلى الضغط العالي، وتوفر مسارًا قابلًا للتطوير نحو تقنيات بطاريات الحالة الصلبة العملية والمتينة.

دعونا نلقي نظرة على التحديات الحالية المتعلقة بالواجهات الصلبة في بطاريات الحالة الصلبة القائمة على الكبريتيد:

تنشأ مشكلة التلامس بين المواد الصلبة في بطاريات الحالة الصلبة القائمة على الكبريتيد بشكل أساسي من عدم قدرة المواد الصلبة على التبلل والالتصاق ببعضها البعض كما تفعل الإلكتروليتات السائلة، مما يؤدي إلى ضعف التلامس، وتفاعلات سطحية مفرطة، وتكوّن الشقوق. ويمثل هذا العائق الأكبر أمام نقل بطاريات الحالة الصلبة القائمة على الكبريتيد من المختبر إلى الإنتاج الضخم. ويمكن تصنيف التحديات المحددة إلى ثلاث فئات: قصور التلامس الفيزيائي، والتفاعلات الكيميائية الجانبية، والفشل الميكانيكي.

أولاً: ضعف الاتصال الجسدي - "دائرة مفتوحة" لمسارات الأيونات

نقطة الاتصال : كل من الكاثود وجزيئات الإلكتروليت عبارة عن مواد صلبة صلبة؛ بعد الخلط، لا يمكنها إلا أن تشكل اتصالاً من نقطة إلى نقطة مع وجود فراغات بينية وفيرة، مما يؤدي إلى انسداد قنوات نقل أيونات الليثيوم ومقاومة بينية عالية.

لا توجد قدرة على الإصلاح الذاتي : في البطاريات السائلة، يتدفق الإلكتروليت لملء الفجوات مع تمدد الأقطاب الكهربائية وانكماشها؛ بمجرد انفصال واجهة صلبة-صلبة، يكون الانفصال دائمًا.

ثانيًا: تفاعلات كيميائية جانبية وفيرة - "تسمم" السطح البيني

جانب الكاثود : تحت تأثير الفولتية العالية، تكون الإلكتروليتات الكبريتية عرضة للأكسدة وتتفاعل مع مواد الكاثود لتكوين طبقات بينية منخفضة التوصيل (مثل Li₂S وP₂Sₓ). كما تتشكل "طبقة شحنة فضائية" - حيث تُستنفد أيونات الليثيوم عند السطح البيني، وهو ما يشبه منطقة تحديد السرعة المفاجئة على الطريق السريع، مما يتسبب في زيادة كبيرة في المعاوقة.

جانب الأنود : عند ملامسته لمعدن الليثيوم، تحدث تفاعلات الاختزال بسهولة، مما ينتج عنه منتجات ثانوية ذات مقاومة عالية ويعزز نمو التشعبات الليثيومية على طول حدود الحبيبات التي يمكن أن تخترق الإلكتروليت وتسبب دوائر قصر.

ثالثًا. العطل الميكانيكي - "التفكك" بعد دورات التشغيل

تغيرات الحجم : أثناء الشحن والتفريغ، تتعرض مواد الأقطاب الكهربائية للتمدد والانكماش (يمكن أن تتضخم مصاعد السيليكون بأكثر من 300%). بعد مئات الدورات، تتشقق أسطح التلامس الصلبة وتنفصل، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في السعة.

متطلبات الضغط الخارجي : في المختبر، يمكن الحفاظ على التلامس بين الأسطح قسرًا بتطبيق ضغط خارجي يتراوح بين عشرات ومئات الميغاباسكال. مع ذلك، لا يمكن استخدام أنظمة الضغط هذه في المركبات. ويظل تحقيق تلامس مستقر تحت ضغط منخفض أو معدوم أثناء الإنتاج الضخم تحديًا هندسيًا كبيرًا.

تجدر الإشارة إلى أن الإلكتروليتات الكبريتية شديدة الحساسية للرطوبة، إذ يؤدي تعرضها للماء إلى إطلاق غاز كبريتيد الهيدروجين السام. وهذا يستلزم إجراء عملية التصنيع بأكملها في جو خامل أو في ظروف انخفاض نقطة الندى إلى مستويات متدنية للغاية، مما يزيد من صعوبة هندسة الأسطح البينية.

مرجع

https://doi.org/10.1002/aenm.202504652

تتيح الإلكتروليتات المصممة حديثًا بطاريات الليثيوم ذات كثافة طاقة تزيد عن 700 واط/كجم

2026-03-27 | Jerry Huang

ملاحظة المحرر: توفر المواد المُصنّعة حديثًا فرصًا لتطوير إلكتروليتات جديدة تُمكّن خلايا الليثيوم المعدنية من تحقيق كثافة طاقة تتجاوز 700 واط/كغ عند درجة حرارة الغرفة، ونحو 400 واط/كغ عند -50 درجة مئوية. يلعب ملح الليثيوم LiFSI دورًا هامًا في تصميم الإلكتروليتات. كل الشكر والتقدير للباحث المتميز وفريق الأكاديمي جون تشين وتشينغ تشاو من جامعة نانكاي على هذا البحث الرائع. ما هي النتائج الملهمة التي قد يُقدمها لنا هذا البحث؟ دعونا نلقي نظرة.

خلاصة

هيمنت على مذيبات الإلكتروليت للأجهزة الكهروكيميائية خلال العقود الماضية روابطٌ قائمة على الأكسجين (O) والنيتروجين (N)، حيث يُشكل تفاعل ثنائي القطب مع الأيونات (Li+، Na+، وما إلى ذلك) عادةً أساس تفكك الأيونات ونقلها، ولكنه يُعيق عملية نقل الشحنة عند سطح التماس بين الإلكتروليت والقطب. في هذه الدراسة، ومن خلال تصنيع الألكانات ذات البنية أحادية الفلور، نُبين أن الروابط القائمة على الفلور (F) ذات الإعاقة الفراغية المصممة وقاعدية لويس تُتيح إذابة الأملاح بتركيز يزيد عن 2 مول/لتر. ومن بينها، يتميز إلكتروليت أيونات الليثيوم القائم على 1،3-ثنائي فلورو البروبان (DFP) بجميع المزايا اللازمة للبطاريات عالية الكثافة الطاقية والمنخفضة الحرارة، بما في ذلك اللزوجة المنخفضة (0.95 سنتي بواز)، والثبات العالي للأكسدة (>4.9 فولت)، والتوصيل الأيوني البالغ 0.29 ملي سيمنز/سم عند -70 درجة مئوية. من خلال دمج ذرات الفلور في غلاف الإذابة الأول، يُسهّل التناسق الضعيف بين الفلور وأيونات الليثيوم عملية ترسيب/إزالة الليثيوم بكفاءة كولومبية تصل إلى 99.7% وكثافة تيار تبادل أكبر بعشرة أضعاف من كثافة تيار التبادل في حالة التناسق بين الأكسجين وأيونات الليثيوم عند درجة حرارة -50 درجة مئوية. كما تُمكّن هذه الإلكتروليتات من تشغيل خلايا الليثيوم المعدنية المرنة بكمية إلكتروليت أقل من 0.5 غرام/ساعة، محققةً كثافة طاقة تتجاوز 700 واط ساعة/كيلوغرام عند درجة حرارة الغرفة، وحوالي 400 واط ساعة/كيلوغرام عند درجة حرارة -50 درجة مئوية. تُقدّم إلكتروليتات الهيدروفلوروكربون (HFC) المستخدمة في هذا العمل نهجًا عمليًا لبناء أنظمة كهروكيميائية تتجاوز كيمياء التناسق التقليدية.

مرجع

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10210-6

خبر عاجل: الكشف عن بطارية صلبة قابلة للتطوير تشحن بالكامل في 5 دقائق فقط في معرض الإلكترونيات الاستهلاكية 2026

2026-01-07 | Jerry Huang

أخبار من معرض الإلكترونيات الاستهلاكية (CES) 2026 في لاس فيغاس، عرضت شركة Donut Lab الفنلندية الناشئة منتجها "عالي التقنية" المتفجر في معرض CES السنوي - وتدعي هذه الشركة أن بطاريتها هي أول بطارية صلبة بالكامل يتم إنتاجها بكميات كبيرة في العالم (ASSB). في معرض الإلكترونيات الاستهلاكية 2026، أعلنت شركة دونات لاب عن إطلاق ما وصفته بأول بطارية صلبة بالكامل في العالم، وهي جاهزة للإنتاج من قبل مصنعي المعدات الأصلية، وستكون أول بطارية من نوعها تُستخدم في طرازي الدراجات النارية TS Pro وUltra من شركة فيرج للدراجات النارية. وإذا ما تم تسليمها بالفعل للعملاء، فسيمثل ذلك علامة فارقة في مسيرة التحول العالمي نحو الكهرباء، إذ يُشير إلى انتقال تقنية الحالة الصلبة من المختبر إلى نماذج الإنتاج الضخم. أعلنت شركة دونات لاب، في بيان صحفي نُشر على موقعها الإلكتروني الرسمي، التزامها بالابتكار وتقديم حلول جديدة في مجال الكهرباء، وذلك من خلال السعي الدؤوب لتجاوز حدود أداء المركبات الكهربائية وطرح أحدث التقنيات في السوق. وتسعى دونات لاب إلى رسم ملامح مستقبل التنقل. وأضافت: "تتشرف دونات لاب اليوم بإطلاق أول بطارية صلبة بالكامل في العالم، قابلة للاستخدام في تصنيع المركبات الأصلية. وسيتم طرح بطارية دونات لاب الصلبة للاستخدام التجاري فورًا، لتزويد مجموعة دراجات فيرج النارية الحالية بالطاقة."

وبحسب التقارير، توفر بطارية Donut Lab الصلبة بالكامل كثافة طاقة تبلغ 400 واط/كجم، مما يتيح مدى أطول وهيكلًا أخف وزنًا ومرونة غير مسبوقة في تصميم المركبات والمنتجات.

يمكن شحن البطارية بالكامل في 5 دقائق فقط دون الحاجة إلى تقييد الشحن إلى 80٪، كما أنها تدعم التفريغ الكامل الآمن والمتكرر والموثوق.

على عكس بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، تتميز هذه البطارية الصلبة بالكامل بانخفاض طفيف في سعتها على مدار عمرها الافتراضي. وقد خضعت لاختبارات تصل إلى 100,000 دورة شحن، مما يوفر عمرًا افتراضيًا يتجاوز بكثير عمر التقنيات الحالية. وتُعد السلامة من أهم مميزاتها: فهي خالية من الإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال، ولا تحتوي على خاصية الهروب الحراري، ولا تحتوي على تفرعات معدنية! وهذا يقضي تمامًا على سبب حرائق البطاريات، مما يجعلها آمنة للغاية وثورية بحق. ذكرت شركة Donut Lab أن أداء البطارية قد تم اختباره بدقة في درجات حرارة تتراوح من -30 إلى أكثر من 100 درجة مئوية (مع الحفاظ على 99 بالمائة من السعة "دون أي علامات على الاشتعال أو التدهور").

فيما يتعلق بالمواد الخام والتكاليف، تُصرّح شركة دونات لاب بأن بطارياتها الصلبة مصنوعة بالكامل من "مواد وفيرة وبأسعار معقولة وآمنة جيوسياسياً"، وخالية من العناصر النادرة، وأقل تكلفة من بدائل الليثيوم أيون. مع ذلك، لا تُحدد دونات لاب المواد المحددة اللازمة لإنتاج خلية بطاريتها الصلبة بالكامل.

حظي أنتوان غودوين، الصحفي المخضرم في مجال صناعة السيارات، بفرصة الاطلاع عن كثب على نموذج بطارية الحالة الصلبة بالكامل من شركة دونات لاب في معرض الإلكترونيات الاستهلاكية (CES) لهذا العام. ووفقًا لشرحه، فإن حجم هذه البطارية يُشابه حجم هاتف ذكي بشاشة كبيرة (مثل آيفون 17 برو ماكس)، وهي خفيفة الوزن للغاية. كما ستكون هذه البطارية فائقة الخفة مناسبة جدًا للاستخدام في الطائرات بدون طيار مستقبلًا.

بحسب خطتها، تعتزم شركة دونات لاب تطوير حلٍّ لدمج هذه البطاريات في وحدات طاقة أكبر سعة 5 كيلوواط/ساعة، وتُقارب كل وحدة حجم جهاز ألعاب بلاي ستيشن 5. سيسمح صغر حجمها بتركيب أربع وحدات طاقة من هذا النوع في هيكل دراجة فيرج تي إس برو النارية. ويستفيد هذا التصميم المبتكر من محرك كهربائي دائري مُدمج في العجلة، والذي أعلنت عنه دونات لاب العام الماضي. أعلنت شركتا دونات لاب وفيرج للدراجات النارية يوم الاثنين أن دراجات فيرج ستكون أول مركبة تُنتج بكميات كبيرة في العالم مزودة بهذه البطارية الجديدة. تتميز الدراجة النارية بوقت شحن لا يتجاوز 10 دقائق، مما يوفر مدى يصل إلى 60 كيلومترًا لكل دقيقة شحن. أما نسخة فيرج ألترا، فيمكنها قطع مسافة تصل إلى 600 كيلومتر بشحنة واحدة. ويُمكن تفسير عمر البطارية الذي يصل إلى 100,000 دورة شحن بمدى إجمالي نظري يبلغ 60 مليون كيلومتر. حتى مع قيادة الدراجة لمسافة 60,000 كيلومتر سنويًا، يُمكن لهذه البطارية نظريًا أن تدوم 1000 عام. يقول البعض إن هذا يبدو "مبالغًا فيه".

"قامت شركة Donut Lab بتصميم بطارية Donut جديدة عالية الأداء تعمل بتقنية الحالة الصلبة، ويمكن توسيع نطاق إنتاجها لتشمل أحجام إنتاج كبيرة، وهي قيد الاستخدام الفعلي حاليًا في دراجات Verge Motorcycles التي ستنطلق على الطرق في الربع الأول من عام 2026." يبدأ سعر Verge TS Pro من 29900 دولارًا. إلى جانب تركيبها في الدراجات النارية الكهربائية، تُعدّ بطاريات الحالة الصلبة واعدةً بشكلٍ واضح في تطبيقات المركبات الكهربائية. وأوضح غودوين أن مزايا هذه التقنية تبرز بشكلٍ أكبر في المركبات الكبيرة، حيث سيُظهر انخفاض الوزن وتحسين سرعة الشحن تأثيرًا مضاعفًا عند الاستخدام. وأعلنت شركة دونات لاب يوم الاثنين عن تعاونها مع شركة وات إي في المتخصصة في المركبات الكهربائية لإنشاء منصة مركبة كهربائية معيارية فائقة الخفة تجمع بين محرك دونات وتقنية البطاريات.

قال ماركو ليتيمكي، الرئيس التنفيذي لشركة دونات لاب: "لطالما وُصفت بطاريات الحالة الصلبة بأنها "على بُعد بضع سنوات فقط". إجابتنا مختلفة. إنها جاهزة اليوم، وليس لاحقًا."

لفهم أفضل، دعونا نلقي نظرة على البطاريات المستخدمة تجاريًا حاليًا. لطالما وُجدت "المعضلة الثلاثية" (أو "الثالوث المستحيل") في صناعة البطاريات، والتي تشير إلى صعوبة تحقيق التوازن بين المؤشرات الأساسية الثلاثة للبطاريات (الأداء، والتكلفة، والسلامة). غالبًا ما يتطلب تحسين أحد هذه المؤشرات التضحية بالآخر أو حتى كليهما.

بالمقارنة، تتراوح كثافة الطاقة لأفضل بطاريات الليثيوم أيون التجارية بين 250 و300 واط/كغ تقريبًا، مع عمر افتراضي نموذجي يبلغ حوالي 5000 دورة شحن. ولإطالة عمر البطارية، يُنصح عادةً بعدم شحنها لأكثر من 80%. إذا كانت جميع خصائص بطارية دونات صحيحة، فإنها تتفوق بشكل أساسي على التقنيات الحالية في جميع الجوانب.

ما التقدم الذي أحرزته شركات تصنيع البطاريات الأخرى حتى الآن؟ وما هي خططها للإنتاج الضخم لبطاريات الحالة الصلبة ذاتية التشغيل؟ أعلنت شركة سونودا في أكتوبر 2025 عن جيل جديد من بطاريات الحالة الصلبة البوليمرية بكثافة طاقة تبلغ 400 واط/كجم، وعمر افتراضي لا يتجاوز 1200 دورة شحن. كما تم طرح الجيل الثاني من بطارية شينشينغ الفائقة، التي أطلقتها شركة CATL في أبريل 2025، في الأسواق، ويبلغ مداها 520 كيلومترًا بشحن لمدة 5 دقائق. ويبلغ العمر الافتراضي لبطارية فوسفات الحديد الليثيوم من الجيل الخامس أكثر من 3000 دورة شحن.

خططت تويوتا في البداية لبدء الإنتاج الضخم لبطاريتها الصلبة بالكامل في عام 2020، ولكن تم تأجيل ذلك لاحقًا إلى عام 2023، ثم إلى عام 2026، والآن إلى عامي 2027-2028. كما حددت سامسونج إس دي آي هدفها المتمثل في إنتاج بطارية صلبة بالكامل قابلة للتطوير على نطاق واسع في عام 2027.

لدى شركة CATL خطة لبدء إنتاج بطاريات الحالة الصلبة بالكامل على نطاق صغير في عام 2027، وعلى نطاق واسع في حوالي عام 2030. بينما تؤكد شركتا هيونداي وكيا أن ذلك لن يكون قبل عام 2030. وتتوقع بلومبيرغ إن إي إف أنه حتى عام 2035، لن تتجاوز حصة بطاريات الحالة الصلبة بالكامل 10% من السوق العالمية للسيارات الكهربائية ومنشآت تخزين الطاقة.

المستثمرون وشركات الاستشارات لا يزالون متفائلين بشأن الطلب على الليثيوم في عام 2026

2025-12-17 | Jerry Huang

وصل سوق السيارات الكهربائية العالمي إلى معدل نمو "عقلاني" نسبياً بالتزامن مع انخفاض عالمي في دعم السيارات الكهربائية في السنوات القليلة الماضية، مما أدى إلى انخفاض الطلب على أملاح الليثيوم خلال نفس الفترة الزمنية.

توقعت شركة الاستشارات "أداماس إنتليجنس" مؤخرًا أنه مع دخول شعبية السيارات الكهربائية مرحلة نضج نسبي، سيصبح نمو الطلب على تخزين الطاقة "العامل الرئيسي المؤثر" على إنتاج البطاريات، والذي سيحدد بدوره الطلب على الليثيوم في عام 2026. وتتوقع كل من "سيتي غروب" و"يو بي إس" و"بيرنشتاين" أن يؤدي هذا التوسع في تخزين الطاقة إلى نقص في سوق الليثيوم العالمي العام المقبل. ومن المرجح أن ينمو الطلب على الليثيوم في قطاع تخزين الطاقة بنسبة 55% العام المقبل، متجاوزًا بكثير الزيادة البالغة 19% في سوق السيارات الكهربائية.

تم الكشف عن تقنية أخرى منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة لإعادة تدوير كاثودات الليثيوم-أيون

2025-11-25 | Jerry Huang

ملاحظة المحرر: أدى التطور السريع في الإلكترونيات الاستهلاكية، والمركبات الكهربائية، وتخزين الطاقة عبر الشبكة الكهربائية إلى طلب هائل على بطاريات أيونات الليثيوم (LIBs). ومع ذلك، مع عمر افتراضي يتراوح بين 6 و8 سنوات فقط، من المتوقع أن ينتهي صلاحية أكثر من 11 مليون طن من البطاريات بحلول عام 2030، مما سيؤدي إلى ضغوط غير مسبوقة على الموارد، ومخاطر بيئية، وتحديات اقتصادية. حاليًا، تُركز جهود إعادة التدوير هذه على مواد الكاثود المُعاد تدويرها (وخاصةً أكاسيد المعادن الطبقية، LMOs)، التي تحتوي على عناصر عالية القيمة مثل الليثيوم، والكوبالت، والنيكل، والمنجنيز.

إليكم نهجًا آخر قدمه فريق كوانكوان بانغ في جامعة بكين بالتعاون مع فريق جياشين مينغ في جامعة وانغتشو للتكنولوجيا، حول إعادة تدوير كاثودات الليثيوم-أيون المستهلكة، وخاصةً الكائنات الحية المعدلة وراثيًا. شكرًا جزيلًا لجميع الباحثين، مع خالص التقدير.

ومن الجدير بالذكر أن نهج LTMS-ECR هذا يعالج بشكل مباشر الكاثودات المستهلكة التي لا تزال متصلة بمجمعات التيار المصنوعة من الألومنيوم، دون الحاجة إلى خطوة سحق الأقطاب الكهربائية إلى "مسحوق أسود"، مما يؤدي إلى تبسيط خطوات المعالجة المسبقة بشكل كبير.

تزعم تقنية LTMS-ECR أن لديها القدرة على تحقيق ربحية عالية تبلغ 1.86 دولارًا للكيلوغرام في إعادة تدوير البطاريات المستهلكة بسبب استخدامها لإلكتروليتات الملح المنصهر منخفضة التكلفة والقابلة لإعادة الاستخدام وLi2O، جنبًا إلى جنب مع المنتجات الثانوية عالية القيمة Co3O4 وLiCl، مما يُظهر تحسنًا بنحو عشرة أضعاف مقارنة بتقنيات المعالجة الحرارية المعدنية والهيدروميتالورجية.

تُظهر تحليلات الأثر التقني والاقتصادي والبيئي أن تقنية LTMS-ECR تتميز بجدوى اقتصادية واستدامة كربونية ملحوظة. وتُمثل كفاءتها العالية في الاسترداد، وانخفاض استهلاكها للطاقة، وملاءمتها للبيئة، مسارًا كيميائيًا ثوريًا لإعادة تدوير مواد الكاثود.

خلاصة

تُقدم إعادة التدوير الكهروكيميائي (ECR) استراتيجية واعدة تُسخّر الطاقة المتجددة لتفكيك أكاسيد المعادن الطبقية المستهلكة (LMOs). ومع ذلك، تقتصر مناهج إعادة التدوير الكهروكيميائي الحالية على التشغيل في درجات حرارة عالية (تصل إلى 750 درجة مئوية) باستخدام مصهور كربونات أو كلوريد القلوي كإلكتروليتات، مما يؤدي إلى استهلاك كبير للطاقة كمدخلات حرارية. تقترح هذه الدراسة إلكتروليت مصهور كلورو ألومينات قلوي منخفض نقطة الانصهار، يتكون من AlCl3–LiCl، مما يُمكّن من التحليل الكهربائي باستخدام ECR عند درجة حرارة منخفضة تصل إلى 150 درجة مئوية. ونظرًا لذوبان حامل الشحنة O2− العالي في مصهور كلورو ألومينات القلوي، يخضع كاثود LMO لعملية تفكيك اختزالي كهروكيميائي لإنتاج معادن انتقالية عنصرية وكلوريد الليثيوم (LiCl). والأهم من ذلك، أن منتجين غير قابلين للذوبان في المصهور المضاف إليه Li2O، ويمكن فصلهما بسهولة عن طريق معالجة سهلة بالترشيح المائي. من الجدير بالذكر أنه باستخدام أنود خامل من نيتريد التيتانيوم، يتم التخلص من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أثناء التحليل الكهربائي عن طريق توليد الأكسجين، مما يساهم في تحقيق الحياد الكربوني. باستخدام نهج إعادة تدوير إلكتروليتات الملح المنصهر منخفضة الحرارة (LTMS-ECR)، يتم تحقيق معدل استرداد عالي للكوبالت بنسبة 97.3% لـ LiCoO2. تشير التحليلات التقنية والاقتصادية إلى أن تقنية إعادة التدوير هذه تقلل من استهلاك الطاقة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة تقارب 20%، كما أنها أكثر ربحية بنحو عشرة أضعاف مقارنةً بالطرق التقليدية. يمثل هذا النهج بديلاً ثوريًا لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم المُستهلكة بكفاءة عالية من حيث الطاقة، وبشكل مستدام، ومجدٍ اقتصاديًا.

مراجع

https://doi.org/10.1002/adma.202512984

ماذا يحدث في سوق الليثيوم وخاصة LiPF6؟

2025-10-31 | Jerry Huang

على مدى الأشهر الأربعة الماضية، شهدت العديد من أملاح الليثيوم بما في ذلك أملاح الأساس مثل كربونات الليثيوم وهيدروكسيد الليثيوم زيادة واضحة في أسعارها في السوق، وذلك وفقًا لـ LiPF6 وLiFSI، استنادًا إلى وضع العرض والطلب.

شهد الطلب على أملاح الليثيوم لتخزين الطاقة في السوق المحلية تزايدًا سريعًا في النصف الثاني من العام، تزامنًا مع تزايد الطلب على بطاريات الليثيوم من سوق السيارات الكهربائية خلال شهري سبتمبر وأكتوبر المزدهرين، مما زاد الطلب على الليثيوم من قِبل مصنعي البطاريات الذين وصلوا إلى ذروة الإنتاج تقريبًا. ومن المثير للدهشة أن الطلب من الأسواق الخارجية استمر في التزايد أيضًا. ويشكل هذا الطلب القوي من السوق عاملًا مساعدًا في ارتفاع أسعار أملاح الليثيوم. ونظرًا لأن LiPF6 لا يزال ملحًا رئيسيًا للإلكتروليت في السوق الصينية، فقد استمر سعره في الارتفاع بسرعة، متجاوزًا سعر LiFSI في أكتوبر 2025. وقد شهدنا حالات مماثلة عدة مرات في التاريخ.

من ناحية أخرى، أدت المنافسة السعرية خلال السنوات القليلة الماضية إلى توقف إنتاج العديد من مُصنّعي أملاح الليثيوم المتوسطة والصغيرة؛ كما أوقف بعض كبار المُصنّعين جزءًا من طاقتهم الإنتاجية، وسيستأنفونها بعد شهرين أو ثلاثة أشهر. ولم تكن العديد من المصانع الجديدة وطاقاتها الإنتاجية تسير بسلاسة كما هو متوقع. وأصبح عرض أملاح الليثيوم شحيحًا مؤقتًا في السوق بعد فترة من فائض الطاقة الإنتاجية لبضع سنوات.

وبما أن أسعار أملاح الليثيوم الأساسية مثل كربونات الليثيوم وهيدروكسيد الليثيوم استمرت في الارتفاع خلال الأشهر الأربعة الماضية، فقد ارتفعت أيضًا تكاليف LiPF6 وLiFSI في نفس الوقت.

حتى الآن، يُعدّ LiPF6 ملح الليثيوم الرئيسي لإنتاج الإلكتروليتات في السوق المحلية الصينية، مما يجعل الطلب عليه أقوى من غيره من الأملاح حاليًا. فهل سيستمر اختلال التوازن بين العرض والطلب في التزايد أم سيقترب من التوازن في المستقبل القريب؟ لننتظر ونرى.

توفر بووركس كربونات الليثيوم عالية الجودة، وهيدروكسيد الليثيوم عالي الجودة، وLiPF6 وLiFSI، وبطاريات عالية الجودة، وتقنية أو عالية النقاء، بأقصى سرعة. تواصل معنا الآن.

تم الكشف عن مادة هاليدية رخيصة الثمن ذات كثافة طاقة عالية وعمر دورة طويل

2025-09-09 | Jerry Huang

ملاحظة المحرر: في مجال تخزين الطاقة، تُعتبر بطاريات الحالة الصلبة الحل الأمثل لتقنيات تخزين الطاقة من الجيل التالي، إلا أن تطويرها لطالما واجه عقباتٍ حرجة في مواد الأقطاب الكهربائية. عادةً ما تتميز بطاريات الحالة الصلبة التقليدية (ASSBs) بأقطاب كهربائية مكونة من مواد فعالة، وإلكتروليتات صلبة، ومواد مضافة موصلة. ومع ذلك، فإن هذه المكونات غير النشطة (التي تشغل ما بين 40% و50% من حجم الأقطاب الكهربائية) لا تقلل من كثافة الطاقة فحسب، بل تُحفز أيضًا تفاعلات جانبية بينية، وتزيد من التواء نقل أيونات الليثيوم. على الرغم من أن تصميمات "الكل في واحد" (مواد ذات موصلية عالية ونشاط كهروكيميائي) قد تُحل هذه المشكلات، إلا أن المواد الحالية، مثل الأكاسيد (منخفضة السعة) والكبريتيدات (عالية التكلفة)، تواجه صعوبة في تلبية متطلبات الأسواق المستقبلية. تتميز الهاليدات بانخفاض تكلفتها وارتفاع موصليتها الأيونية، إلا أنها تعاني من ضعف الموصلية الإلكترونية وكثافة الطاقة. ومن ثم، فإن تطوير مواد متكاملة تجمع بين الأداء الكهروكيميائي العالي وقابلية التوسع غير المكلفة والاستقرار الميكانيكي أصبح تحديًا بالغ الأهمية.

إليكم مثالاً رائعاً. قدّم فريق من جامعة ويسترن أونتاريو في كندا حلّاً ثورياً في دراستهم المنشورة في مجلة Nature، حيث صمموا أول مادة هاليد في العالم، Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄، تتميز بقدرة شفاء ذاتية ديناميكية وتكامل ثلاثي في واحد (كاثود/إلكتروليت/موصل). من خلال تفاعلات أكسدة واختزال عكسية Fe²⁺/Fe³⁺ وآلية انتقال فريدة من الهشاشة إلى اللدونة، تحتفظ هذه المادة بسعة 90% بعد 3000 دورة، محققةً كثافة طاقة قطب كهربائي تبلغ 529.3 واط/كجم⁻¹ (قابلة للتطوير إلى 725.6 واط/كجم⁻¹ مع التصاميم المركبة). والأهم من ذلك، أن تكلفتها لا تتجاوز 26% من تكلفة الأقطاب الكهربائية التقليدية. وقد كشف إشعاع السنكروترون، إلى جانب المحاكاة الذرية، عن آلية شفاء ذاتية مستحثة بهجرة الحديد لأول مرة! لا يقتصر هذا العمل على توفير مادة أساسية لبطاريات الحالة الصلبة فحسب، بل يُقدم أيضًا نموذجًا مثاليًا لتصميم متكامل يجمع بين المواد والميكانيكا والكيمياء الكهربائية. شكرًا للجهود الكبيرة المبذولة من جميع الباحثين.

خلاصة

تتطلب بطاريات الحالة الصلبة تصميمات مهبطية متطورة لتحقيق إمكاناتها في كثافة الطاقة العالية والجدوى الاقتصادية. تُبشّر المهبطات المتكاملة، التي تستبعد الإضافات الموصلة غير النشطة والواجهات غير المتجانسة، بتحقيق مكاسب كبيرة في الطاقة والاستقرار، إلا أنها تُعيقها مواد تفتقر إلى موصلية كافية لـ Li+/e−، ومتانة ميكانيكية، واستقرار هيكلي. نقدم هنا Li1.3Fe1.2Cl4، وهي مادة هاليد فعالة من حيث التكلفة تتغلب على هذه التحديات. بفضل أكسدة Fe2+/Fe3+ العكسية ونقل Li+/e− السريع ضمن إطارها، تحقق Li1.3Fe1.2Cl4 كثافة طاقة قطب كهربائي تبلغ 529.3 واط/كجم-1 مقارنةً بـ Li+/Li. والأهم من ذلك، تُظهر Li1.3Fe1.2Cl4 خصائص ديناميكية فريدة أثناء الدورة، بما في ذلك هجرة Fe محلية عكسية وانتقال من الهشاشة إلى اللدونة مما يُكسبها سلوكًا ذاتي الشفاء. يُتيح هذا استقرارًا استثنائيًا للدورة، مع الحفاظ على 90% من السعة لمدة 3000 دورة بمعدل 5 درجات مئوية. يُؤدي دمج Li1.3Fe1.2Cl4 مع أكسيد غني بالنيكل إلى زيادة كثافة الطاقة إلى 725.6 واط/كجم. ومن خلال الاستفادة من الخصائص الميكانيكية الديناميكية والانتشارية المميزة للهاليدات متعددة الاستخدامات، يُرسي هذا العمل أسس هاليدات متعددة الاستخدامات كخيارٍ رئيسيٍّ لكاثودات كثيفة الطاقة ومتينة في الجيل القادم من بطاريات الحالة الصلبة.

مراجع

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1

هل يتفوق الليثيوم البوليمري في سباق بطاريات الحالة الصلبة؟

2025-09-08 | Jerry Huang

ملاحظة المحرر: هناك أربعة أنواع من الإلكتروليتات لبطاريات الليثيوم الصلبة: البوليمر، والأكسيد، والكبريتيد، والهاليد، ولكل منها خصائص مميزة:

إلكتروليتات الليثيوم البوليمرية

بفضل استخدام المواد البوليمرية كإلكتروليتات، توفر هذه البطاريات مرونة عالية وموصلية أيونية فائقة، مما يجعلها حلاً انتقالياً مناسباً للبطاريات شبه الصلبة. وتتميز بسهولة تصنيعها، إلا أن استقرارها على المدى الطويل لا يزال قيد الدراسة.

إلكتروليتات أكسيد الليثيوم

تعتمد هذه الإلكتروليتات على مواد مثل أكسيد الليثيوم، مما يوفر تكلفة أقل واستقرارًا جيدًا، ولكنها تُظهر موصلية أيونية منخفضة نسبيًا.

إلكتروليتات كبريتيد الليثيوم

تتميز هذه الإلكتروليتات، التي تتمحور حول مركبات كبريتيد الليثيوم، بموصلية عالية في درجة حرارة الغرفة وتوافق ممتاز مع الأسطح البينية، مما يجعلها التقنية الأكثر جدوى تجارياً بين جميع التقنيات. ومع ذلك، تعاني مواد الكبريتيد من ضعف الاستقرار الكيميائي وارتفاع تكاليف الإنتاج.

إلكتروليتات هاليد الليثيوم

تتميز الإلكتروليتات الصلبة الهاليدية بموصلية عالية ومقاومة للأكسدة، لكنها لا تزال في المستوى المختبري مع آفاق تجارية غير واضحة.

السمات المشتركة

تستبدل بطاريات الحالة الصلبة بالكامل الإلكتروليتات السائلة التقليدية بمواد مسحوقية غير عضوية، مما يُحسّن بشكل ملحوظ من السلامة وكثافة الطاقة. ومع ذلك، تختلف الطرق التقنية المختلفة اختلافًا كبيرًا في التكلفة ونضج العملية. فعلى سبيل المثال، بينما توفر طريقة الكبريتيد موصلية عالية، إلا أنها تعاني من ضعف الاستقرار الكيميائي، في حين تواجه طريقة البوليمر تحديات في أداء دورة الحياة. ويرى بعض الخبراء أن الإنتاج التجاري واسع النطاق لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل سيعتمد في نهاية المطاف على حلول من صناعة أشباه الموصلات، بما في ذلك ترسيب الأغشية الرقيقة، والفحص الدقيق على مستوى خط الإنتاج، ونظام التفريغ، بالإضافة إلى حلول أخرى مثل الأغشية الرقيقة والهياكل الميكروية والنانوية. ويُعتقد أن هذه العملية ستستغرق من سبع إلى عشر سنوات.

تشهد تقنية البطاريات الصلبة حاليًا تحولًا حاسمًا من النماذج الأولية المختبرية إلى التصنيع، وهو ما يستدعي بشدة إجراء إصلاح شامل ومنهجي لإطار تقييمها. تركز المرحلة المختبرية بشكل أساسي على مقاييس الأداء الكهروكيميائي (مثل كثافة الطاقة، وعمر الدورة، وقدرة الشحن والتفريغ السريع)، بينما تتطلب تقنية البطاريات الصلبة على نطاق صناعي وضع معايير تقييم متعددة الأبعاد.

1. التقييمات الموسعة: يجب أن تتضمن التطبيقات الصناعية عوامل نظامية تشمل: قابلية التوسع والجدوى (بما في ذلك توافق العملية، والتحكم في الإنتاجية، وما إلى ذلك)، ونضج سلسلة التوريد (بما في ذلك إمدادات المواد الخام الحرجة، ودعم المعدات المتخصصة، وما إلى ذلك)، وتكلفة دورة الحياة الإجمالية (التي تغطي شراء المواد الخام والتصنيع وإعادة التدوير، وما إلى ذلك).

2. تحسين التكنولوجيا والتكلفة: تتطلب الصناعة توازناً مثالياً بين البيانات التقنية والتكلفة، بما في ذلك التوازن الديناميكي بين الأداء الكهروكيميائي وتكاليف التصنيع، واختيار المواد ومرونة سلسلة التوريد الخاصة بها، والتوازن بين تعقيد عملية الإنتاج وقابلية التوسع.

3. التقييم المنهجي: الامتثال للمتطلبات الرئيسية بما في ذلك اتساق الإنتاج الضخم (معيار مراقبة الجودة 6σ)، وشهادات السلامة (على سبيل المثال، الامتثال لمعيار UL 9540A والمعايير الدولية الأخرى) وتصميم سعة خط إنتاج واحد ≥2 جيجاواط ساعة، إلخ.

يتبنى البروفيسور غو وجهة نظر مختلفة حول تفوق الليثيوم البوليمري على إلكتروليتات كبريتيد الليثيوم في سباق بطاريات الحالة الصلبة. دعونا نلقي نظرة على بحث فريق شين غو. شكرًا جزيلًا لجميع الباحثين على جهودهم القيّمة.

خلاصة

تُبشّر بطاريات الحالة الصلبة (SSBs) بثورة في مجال تخزين الطاقة، إذ تُقدّم أمانًا مُعززًا، وكثافة طاقة أعلى، وعمرًا أطول لدورة الشحن والتفريغ مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية. ومن بين مختلف الإلكتروليتات الصلبة، تبرز البوليمرات بفضل مزيجها الفريد من سهولة التصنيع، والمرونة الميكانيكية، والتنوع الكيميائي. تستكشف هذه المراجعة أسباب تفوّق البوليمرات في سباق تطوير بطاريات الحالة الصلبة التجارية. وتُناقش مزاياها الجوهرية، مثل التلامس السطحي الفائق مع الأقطاب الكهربائية، وقابلية ضبط الموصلية الأيونية، والتوافق مع أساليب التصنيع القابلة للتطوير، فضلًا عن التحديات التقنية الرئيسية التي تواجهها، بما في ذلك محدودية الاستقرار الحراري، وضيق النطاق الكهروكيميائي، وتدهور السطح البيني. تُسلّط هذه الدراسة الضوء على الحلول الناشئة من الأبحاث الحديثة، بما في ذلك تصميم جزيئات البوليمر، ومركبات البوليمر والسيراميك، واستراتيجيات البلمرة الموضعية. وعلى النقيض من أنظمة الأكاسيد والكبريتيدات، التي تواجه عوائق كبيرة في التكلفة، وسهولة التصنيع، والتكامل، تُقدّم الإلكتروليتات القائمة على البوليمرات مسارًا واقعيًا ومُجديًا اقتصاديًا للتطبيق على نطاق واسع. مع استمرار التقدم في تصميم المواد والمعالجة الصناعية، لم تعد البوليمرات قادرة على المنافسة فحسب، بل إنها تقود عملية الانتقال إلى الجيل التالي من بطاريات الحالة الصلبة.

مراجع

https://doi.org/10.1002/advs.202510481

عاجل: أنودات السيليكون المصنوعة من سبائك البورون تضاعف عمر بطاريات الليثيوم أيون ثلاث مرات

2025-06-29 |

خلاصة

لا يزال تثبيت الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) يُمثل تحديًا رئيسيًا لأنودات بطاريات الليثيوم أيون القائمة على السيليكون. وقد برزت عملية خلط السيليكون مع عناصر ثانوية مثل البورون كاستراتيجية واعدة لتحسين دورة حياة أنودات السيليكون، إلا أن الآلية الكامنة وراء ذلك لا تزال غير واضحة. ولسد هذه الفجوة المعرفية، يُجرى بحث منهجي في كيفية تأثير تركيز البورون على أداء البطارية. تُظهر هذه النتائج زيادة شبه رتيبة في دورة حياة البطارية مع ارتفاع محتوى البورون، حيث تتفوق الأقطاب الكهربائية الغنية بالبورون بشكل ملحوظ على السيليكون النقي. بالإضافة إلى ذلك، تتميز أنودات سبائك السيليكون والبورون بعمر افتراضي أطول بثلاث مرات تقريبًا من السيليكون النقي. ومن خلال تحليل ميكانيكي مُفصل، يتم استبعاد العوامل المساهمة البديلة بشكل منهجي، ويُقترح أن تحسين التخميل ينشأ من ثنائي قطب قوي ودائم على سطح الجسيمات النانوية. يُشكل هذا الثنائي القطب، المُكوّن من بورون ذي حموضة لويس العالية وغير المُنسقة، طبقة ساكنة كثيفة الأيونات تُثبّت الواجهة الكهروكيميائية، مما يُقلل من تحلل الإلكتروليت الطفيلي ويُعزز الاستقرار طويل الأمد. تشير هذه النتائج إلى أن الطبقة الكهربائية المزدوجة، ضمن إطار SEI، تُعدّ عاملاً مهماً في عملية التخميل السطحي. وتوفر هذه الرؤية مجالاً لم يُستكشف بعدُ لتحسين أنودات السيليكون في بطاريات أيونات الليثيوم من الجيل التالي.

مرجع

https://doi.org/10.1002/aenm.202501074

كيف يحدث LiTFSI فرقًا في بطاريات الصوديوم المعدنية؟

2025-06-29 |

ملاحظة المحرر: تُعدّ بطاريات الصوديوم-الفلز مهمة لتخزين الطاقة على نطاق واسع وللأجهزة الإلكترونية المحمولة، كونها جهاز تخزين طاقة يتميز بكثافة طاقة عالية وتكلفة منخفضة. ومع ذلك، فإن أداء الإلكتروليت وSEI يحدّ من عمر دورة بطاريات الصوديوم-الفلز ومعدل شحنها/تفريغها. كيف يُحدث LiTFSI فرقًا في بطاريات الصوديوم-الفلز؟ إليك مثال. بفضل بحث خاص أجراه فريق شوانغ وان.

خلاصة

يُعدّ بناء طور بيني إلكتروليت صلب (SEI) غني بالمواد غير العضوية ومتين، أحد الأساليب الأساسية لتحسين الأداء الكهروكيميائي لبطاريات فلز الصوديوم. ومع ذلك، فإنّ انخفاض موصلية وتوزيع المواد غير العضوية الشائعة في SEI يُعيق انتشار أيونات الصوديوم (Na+) ويُحفّز ترسبًا غير منتظم للصوديوم. في هذا البحث، نُنشئ طورًا بينيًا إلكتروليتيًا صلبًا فريدًا بمواد غير عضوية عالية الموصلية وموزعة بالتساوي، وذلك بإدخال LiTFSI ذاتي التضحية في إلكتروليت كربونات الصوديوم القاعدي الملحي. يُسهّل تأثير التنافس الاختزالي بين LiTFSI وFEC تكوين SEI بمواد غير عضوية موزعة بالتساوي. حيث يُوفّر Li3N عالي الموصلية والمواد غير العضوية مجالات نقل أيونات سريعة ومواقع نواة عالية التدفق لـ Na+، مما يُساعد على ترسيب الصوديوم بسرعة وبمعدلات عالية. لذلك، يُمكّن مُركّب SEI المُشتق من LiTFSI وFEC خلية Na∥Na3V2(PO4)3 من إظهار احتفاظ بالسعة بنسبة 89.15% (87.62 مللي أمبير زئبق-1) بمعدل فائق الارتفاع يبلغ 60 درجة مئوية بعد 10,000 دورة، بينما تُحقق الخلية بدون LiTFSI احتفاظًا بالسعة بنسبة 48.44% فقط حتى بعد 8,000 دورة. علاوة على ذلك، تُقدّم خلية الجيب Na∥Na3V2(PO4)3 المُزوّدة بـ SEI الخاص احتفاظًا ثابتًا بالسعة بنسبة 92.05% عند 10 درجات مئوية بعد 2,000 دورة. يُوضّح تصميم SEI الفريد هذا استراتيجية جديدة لدفع الشركات الصغيرة والمتوسطة للعمل في ظروف عالية السرعة للغاية.

حقوق الطبع والنشر © 2023 الجمعية الكيميائية الأمريكية

مرجع

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c08224