بطاريات الليثيوم-هواء تتفوق نظريًا في كثافة الطاقة.. ما الذي يؤخر استخدامها في السيارات؟

تتمتع بطاريات الليثيوم-هواء بكثافة طاقة نظرية تصل إلى نحو 3505 واط-ساعة لكل كيلوغرام، وهي أعلى بكثير من كثافة بطاريات الليثيوم-أيون والحالة الصلبة الحالية. لكن التقنية لا تزال تواجه عقبات تتعلق بإدارة الهواء، وإعادة الشحن، والعمر التشغيلي، فيما لم تعلن شركة CATL الصينية موعدًا لاستخدامها تجاريًا أو هدفًا لإنتاج سيارة بمدى 2000 كيلومتر.

كيف تعمل بطارية الليثيوم-هواء؟

تحتفظ بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية بالمكونات الكيميائية اللازمة لتخزين الطاقة داخل الخلية نفسها، بينما تحصل بطاريات الليثيوم-هواء على الأكسجين المطلوب للتفاعل مباشرة من الهواء المحيط.

أثناء التفريغ، يتفاعل الليثيوم المعدني مع الأكسجين الموجود في الهواء، ما يؤدي إلى تكوين بيروكسيد الليثيوم (Li₂O₂) وإطلاق الطاقة الكهربائية. وعند الشحن، ينعكس التفاعل، فيتحلل بيروكسيد الليثيوم ويتحرر الأكسجين، بينما يعود الليثيوم إلى حالة تسمح بإعادة استخدامه.

ويشكّل عدم الحاجة إلى نقل الأكسجين داخل البطارية أساس كثافة الطاقة النظرية المرتفعة، التي تبلغ نحو 3505 واط-ساعة لكل كيلوغرام. وبالمقارنة، تتراوح كثافة الطاقة في بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية بين 200 و300 واط-ساعة لكل كيلوغرام، بينما تحقق بطاريات الحالة الصلبة المتقدمة بين 350 و500 واط-ساعة لكل كيلوغرام.

ومع ذلك، فإن رقم 3505 واط-ساعة لكل كيلوغرام نظري، وقد ينخفض في التطبيقات الواقعية، وإن كان من المتوقع أن تظل الكثافة أعلى بدرجة كبيرة.

ثلاث عقبات أمام استخدامها في السيارات

تتمثل المشكلة الأولى في إدارة الهواء. فبخار الماء وثاني أكسيد الكربون الموجودان إلى جانب الأكسجين في الغلاف الجوي قد يضران بالتركيب الكيميائي للبطارية؛ إذ يمكن للرطوبة أن تتفاعل مع الليثيوم المعدني، بينما يؤدي ثاني أكسيد الكربون إلى تكوين كربونات الليثيوم (Li₂CO₃).

كما يتراكم بيروكسيد الليثيوم الناتج أثناء التفريغ داخل الأقطاب المسامية، فيعيق مرور الأكسجين تدريجيًا ويتسبب مع الوقت في فقدان السعة. ولتقليل هذه المشكلات، قد تحتاج السيارات إلى أنظمة لترشيح الهواء، والتحكم في دخوله، وإدارة الرطوبة. غير أن هذه المعدات الإضافية ستزيد وزن البطارية وحجمها، كما ستستهلك طاقة بحد ذاتها.

أما العقبة الثانية فتتعلق بإمكانية إعادة الشحن والعمر التشغيلي. إذ يجب إزالة بيروكسيد الليثيوم من القطب أثناء الشحن، وهي عملية تحتاج إلى طاقة إضافية وقد تؤدي إلى تفاعلات جانبية تضر بالإلكتروليت. كذلك يمكن لدورات الشحن والتفريغ المتكررة أن تسبب عدم استقرار في أقطاب الليثيوم المعدني، ما يؤدي إلى فقدان السعة وتراجع عدد دورات الشحن والتفريغ التي يمكن للبطارية تحملها.

وتتمثل المشكلة الثالثة في أن كثافة الطاقة وحدها لا تكفي لتلبية متطلبات السيارات. فإلى جانب كمية الطاقة المخزنة، تهم الكثافة الحجمية للطاقة وكثافة القدرة أيضًا. ويجب أن تكون البطارية قادرة على توفير قدرة كافية عند التسارع والتجاوز، وأن تُصمم في الوقت نفسه بأبعاد مناسبة للمركبة.

تقدم بحثي دون حل تجاري

أظهرت دراسات حديثة تقدمًا في فهم هذه التقنية، لكنها لم تنقلها بعد إلى مرحلة الإنتاج التجاري. ففي عام 2025، درس باحثون من جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية كيفية تأثير خصائص نقل الأكسجين في الإلكتروليت على تفاعلات البطارية. وقدمت الدراسة معلومات مهمة لتصميم الأقطاب، لكنها لم تقدم حلًا يلغي مشكلة انسداد مسارات الأكسجين.

وفي عام 2024، تمكن باحثون مرتبطون بجامعة جيلين والأكاديمية الصينية للعلوم من الوصول إلى كثافة طاقة بلغت 757.5 واط-ساعة لكل كيلوغرام في خلية ليثيوم-هواء تستخدم إلكتروليتًا بوليمريًا خاصًا. وأكملت الخلية 241 دورة شحن وتفريغ في ظروف مختبرية محددة.

وفي اتجاه كيميائي مختلف، طور باحثون من معهد إلينوي للتكنولوجيا ومختبر أرجون الوطني عام 2023 بنية بطارية صلبة تنتج أكسيد الليثيوم (Li₂O) بدلًا من بيروكسيد الليثيوم. وتمكنت هذه البنية من إكمال 1000 دورة شحن وتفريغ على الأقل في درجة حرارة الغرفة، فيما قُدرت إمكانات كثافة الطاقة النظرية للنظام بنحو 1200 واط-ساعة لكل كيلوغرام.

ويبحث العلماء أيضًا في استخدام إلكتروليت صلب لحماية قطب الليثيوم المعدني وجعل التفاعلات الكيميائية أكثر استقرارًا.، فإن النتائج المختبرية قطعت خطوات مهمة، لكنها لم تصل حتى الآن إلى مستوى الإنتاج المتسلسل.

موقف CATL من مدى 2000 كيلومتر

ووفقًا لما أورده موقع التكنولوجيا الصيني IT Home، تضع CATL بطاريات الليثيوم-هواء ضمن مجالات البحث طويلة الأجل. ووصف كبير علماء الشركة، وو كاي، هذه التقنية بأنها واحدة من موضوعات البحث المستقبلية.

لكن CATL لم تعلن هدفًا لإنتاج سيارة بمدى 2000 كيلومتر، كما لم تحدد موعدًا لإدخال بطاريات الليثيوم-هواء إلى الاستخدام التجاري. وتركز أعمال الشركة الأقرب زمنيًا على بطاريات أيون الصوديوم والبطاريات الصلبة بالكامل، ما يعني أن مدى 2000 كيلومتر لا يزال احتمالًا بحثيًا بعيدًا عن موعد طرح مؤكد.

المصدر: donanimhaber