لقد كانت البطاريات الرصاصية الحمضية منتشرة في كل مكان في مجال تخزين الطاقة، لكنها الآن تعاني من عدة عيوب واضحة. أولاً وقبل كل شيء، إنها ثقيلة جداً وتحتل مساحة كبيرة، مما يجعلها غير مناسبة للعديد من الأجهزة المحمولة، ولذلك لا يرغب أحد في استخدامها في الأجهزة التي يحملها الناس معهم في يومنا هذا. كما أن عمرها الافتراضي يُعدّ من المشكلات أيضاً. فهذه البطاريات التقليدية تتحمل تقريباً من 500 إلى 800 دورة شحن فقط قبل الحاجة إلى استبدالها، في حين يمكن للبطاريات الليثيومية أن تصل بسهولة إلى أكثر من 3000 دورة. ومن حيث قوة التخزين لكل كيلوغرام، فإن البطاريات الرصاصية الحمضية تقدم حوالي 30 واط ساعة/كغ فقط، مقارنةً بـ 200 واط ساعة/كغ لدى البطاريات الليثيومية، وهو فارق كبير جداً يؤثر بشكل مباشر على الأداء في الاستخدامات العملية. ولا ننسى الجانب البيئي أيضاً. فالرصاص مادة سامة، وعملية إعادة تدوير هذه البطاريات تخلق مشاكل كبيرة للجميع المشاركين في هذه العملية. إن التأثير البيئي هنا كبير جداً لدرجة لا يمكن معها تجاهله.
لقد أصبح الليثيوم بلا شك ملكًا في عالم تخزين الطاقة بفضل كثافة الطاقة المذهلة التي يمتلكها. نرى هذا في كل مكان الآن، من هواتفنا التي توضع في الجيب والتي تدوم لعدة أيام بشحنة واحدة، إلى تلك السيارات الكهربائية الكبيرة التي تخرج من خطوط الإنتاج. كما أن التكنولوجيا المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون تتحسن باستمرار. لقد انخفضت أوقات الشحن بشكل كبير، في حين أصبحت هذه البطاريات قادرة على تحمل مئات الدورات الإضافية قبل التآكل. هذا يعني أن الأجهزة تدوم لفترة أطول وتكون أقل تكلفة على المدى الطويل. ما يجعل الليثيوم مميزًا بهذا الشكل؟ حسنًا، إنه خفيف جدًا، وهو عامل مهم للغاية عند تصميم أشياء مثل المولدات الشمسية المحمولة التي يحب الناس استخدامها في رحلات التخييم. ولكن هناك جانبًا آخر من القصة. ترفع المجموعات البيئية أعلام التحذير حول مصادر الليثيوم المستخرج. ومع ذلك، تشير بعض الدراسات الحديثة إلى طرق أكثر نظافة للحصول على الليثيوم، مما يثير النقاشات حول مدى نظافة تخزين الطاقة لدينا حقًا. الصناعة تدرك تمامًا أنها بحاجة إلى إصلاح هذا الأمر إذا أرادت أن يستمر المستهلكون في شراء منتجاتها.
لقد شهدت سبعينيات القرن العشرين تطورات مهمة إلى حد ما في تكنولوجيا البطاريات الليثيومية، وذلك بفضل باحثين مثل جون ب. جودنوف ورشيـد يزامي، الذين بدأوا باستكشاف كيفية استخدام الليثيوم في الإلكترودات. ما اكتشفه هؤلاء الباحثون آنذاك شكّل أساساً للعديد من تصميمات البطاريات الحالية. وظهر ستانلي ويتينجهام بفكرة حول مركبات إدخال الليثيوم، وهي فكرة لفتت انتباهاً كبيراً داخل مجتمع السيارات الكهربائية في ذلك الوقت. بالتأكيد، لم تكن البطاريات المصنوعة في تلك السنوات فعّالة إلى الحد الذي نراه اليوم، لكنها مثلت مع ذلك نقطة تحول حقيقية. بطبيعة الحال، فإن البطاريات الحديثة تقف على أكتاف عمالقة تلك الفترة. لقد طرأ تغيير كبير على المفاهيم التي طوّرت في ذلك الوقت على مر السنين، ويمكننا أن نرى هذا التغيير بوضوح في البطاريات الحديثة، حيث تحسّنت كل من كثافة الطاقة والمدة الزمنية للعمل بشكل ملحوظ مقارنة بالإصدارات السابقة منها.
لقد مثلت ثمانينيات القرن العشرين نقطة تحول لتقنية البطاريات الليثيومية عندما اكتشف جون ب. غودناف أن أكسيد الكوبالت يعمل بشكل ممتاز كمادة قطب موجب. لقد عزز اكتشافه بشكل كبير كمية الطاقة التي يمكن لهذه البطاريات تخزينها، مما جعلها عملية بدرجة كافية للأجهزة مثل الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. قبل هذا الاكتشاف، لم يكن معظم الناس يعرفون حتى ما هي بطارية الليثيوم-أيون. وقد وضع ما أنجزه غودناف معياراً جديداً تماماً لأداء البطاريات، مما سمح لمصنعي الأجهزة بصنع أجهزة أصغر دون التفريط في القوة الكهربائية. وحتى يومنا هذا، يظل الجمع بين الكوبالت والليثيوم محور تطوير بطاريات أفضل، ونشهد ذلك في كل شيء من هواتفنا الذكية إلى تلك الوحدات الكبيرة لتزويد الطاقة المحمولة التي تزودنا بالطاقة خلال المغامرات الخارجية أو انقطاع التيار الكهربائي.
عندما قدمت سوني بطاريات الليثيوم أيون في السوق عام 1991، غيرت بشكل حقيقي طريقة تفكير المستهلكين حول الطاقة المحمولة. تم في البداية تصميم هذه البطاريات للأجهزة الصغيرة، مما أدى إلى تحولات كبيرة في مختلف أنواع التقنيات الشخصية - فكّر في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وتقريبًا أي شيء يحتاج إلى عمر أطول للبطارية دون أن يكون كبير الحجم. ما يجعل هذا التطور مثيرًا للاهتمام هو كيف أنه حوّل حياتنا اليومية وغيّر صناعات بأكملها في آن واحد. ساعد هذا التحول في ردم الفجوة بين التجارب العلمية والمنتجات الفعلية التي يمكن للناس شراؤها من أرفف المتاجر. إذا نظرنا إلى الأمور اليوم، نرى أسواقًا هائلة بُنيت حول هذه التقنيات، مع استثمارات بالمليارات من الشركات لتطوير إصدارات أفضل. وبالنظر إلى ما هو أبعد من الأجهزة الإلكترونية، فقد وفرت هذه الابتكارات أساسًا لتطبيقات حديثة مثل تخزين الطاقة الشمسية بكفاءة، وهي مسألة تكتسب أهمية متزايدة مع التوجه نحو البدائل الصديقة للبيئة.
باختصار، رحلة من مفاهيم الليثيوم الأولية إلى الجدوى التجارية قد حددت طريقاً حيوياً للمستقبل التكنولوجي لتخزين الطاقة. عن طريق تعلم الدروس من هذه المعالم الرئيسية، نواصل مشاهدة تقدم كبير في إنشاء بطاريات أكثر أمانًا وكفاءة واستدامة.
تشمل أحدث التطورات في تقنية البطاريات الليثيومية الآن إلكترودات ذات هياكل نانوية، وهي تُحدث تغييرًا جذريًا في سعة البطاريات. حيث تخلق هذه الهياكل الصغيرة مساحة سطحية أكبر بكثير في مواقع التفاعلات الكيميائية، مما يسمح للبطاريات بتخزين طاقة أكبر بشكل ملحوظ. والنتيجة التي شهدناها هي أجيال جديدة من البطاريات تحمل حوالي 30% طاقة أكثر من السابق، بالإضافة إلى أنها تشحن بسرعة أكبر أيضًا، وهو أمر بالغ الأهمية لمن يستخدمون محطات الطاقة المحمولة أثناء الرحلات الخارجية أو في حالات الطوارئ. وميزة أخرى كبيرة هي أن تقنية النانو تجعل هذه البطاريات تدوم لفترة أطول فعليًا. كان المصنعون يشعرون بالقلق سابقًا بشأن تدهور البطاريات بسرعة بعد دورات الشحن المتكررة، لكن هذا المشكل يبدو أنه يتم حله بفضل هذه التحسينات الدقيقة في تصميم الإلكترود.
أصبحت إدارة الحرارة ضرورية للحفاظ على تشغيل بطاريات الليثيوم بأمان دون حدوث مشاكل. تتركز التطورات الحديثة في التقنيات الحرارية بشكل رئيسي على تقليل المخاطر الناتجة عن التسخين المفرط والحرائق التي يمكن أن تحدث إذا ارتفعت الحرارة بشكل كبير. تعمل طرق التبريد الجديدة بشكل فعال في السيارات الكهربائية وكذلك في وحدات تخزين الطاقة الكبيرة، ومنع ما يُعرف بانطلاق الحرارة غير الخاضعة للرقابة (الانطلاق الحراري)، وهو في الأساس عندما تبدأ البطاريات في التسخين بشكل لا يمكن التحكم به. عندما تقوم الشركات بتركيب أنظمة إدارة الحرارة هذه، يميل مستخدمو البطاريات إلى الثقة بها أكثر، مما يساعد على دفع عملية اعتماد هذه الأنظمة في مختلف القطاعات. نتيجة لذلك، نحن نشهد اضطلاع بطاريات الليثيوم بدور أكبر في كل شيء بدءًا من تخزين الشبكة وصولًا إلى أنظمة الدعم الكهربائي للطاقة الشمسية، مما يُظهر أهميتها الكبيرة فيما يتعلق بالاتجاه القادم للتكنولوجيا.
أصبحت البطاريات الليثيومية مكونات مهمة للغاية في أنظمة تخزين الطاقة الشمسية في الوقت الحالي، مما يساعد على الاستفادة بشكل أفضل من مصادر الطاقة المتجددة. تعمل أنظمة تخزين الطاقة الشمسية بشكل أساسي عن طريق تخزين طاقة ضوء الشمس، بحيث يمكن للمنازل الحصول على الكهرباء حتى عندما لا يكون الضوء الشمسي قوياً كما ينبغي. ما يميز البطاريات الليثيومية هو أنها تتحمل العديد من دورات الشحن وتعمل بكفاءة عالية، ولذلك تظهر استخداماتها من الأنظمة المنزلية الصغيرة على الألواح الشمسية في الحدائق إلى المنشآت الصناعية الكبيرة. تشير التوجهات الحديثة إلى أن عددًا متزايدًا من المستخدمين يتحولون إلى حلول التخزين القائمة على الليثيوم. وتتنبأ توقعات القطاع بأن هذا المجال سيولد إيرادات هائلة تصل إلى مليارات الدولارات بحلول منتصف العقد القادم. كل هذه الأرقام تشير إلى شيء واضح وهو أن التكنولوجيا الليثيومية تبدو مهيمنة على طريقة تخزيننا للطاقة في المستقبل.
إن الحجم الصغير للبطاريات الليثيومية يُغيّر ما يمكن للأشخاص فعله دون الحاجة إلى الكهرباء من الشبكة، خاصة عند الذهاب للتخييم أو الحاجة إلى طاقة احتياطية أثناء الطوارئ. تضم محطات الطاقة المحمولة المتاحة حاليًا أنظمة ذكية تحافظ على عمل البطاريات بكفاءة لفترة أطول مع الحفاظ على الأداء الجيد. يبحث المزيد من الأشخاص عن خيارات خفيفة الوزن تعمل بكفاءة، لذا نرى نموًا سريعًا في مجال محطات الطاقة المحمولة. تشير الأبحاث السوقية إلى أن هذا الاتجاه ليس مجرد صرعة عابرة أيضًا. يبدو أن هذه الأجهزة مُعدّة لاحتلال حصة كبيرة من سوق الطاقة خارج الشبكة. لقد أصبحت أدوات أساسية سواء لشخص ما يحتاج إلى الطاقة خلال رحلات نهاية الأسبوع أو في المواقف غير المتوقعة في المنزل.
قد تُحدث البطاريات ذات الحالة الصلبة تغييرًا جذريًا في كل ما يتعلق بتقنية الليثيوم، وذلك لأنها تأتي مع مزايا كبيرة مثل تحسين السلامة وكثافة طاقة أعلى بكثير. يكمن الاختلاف الرئيسي بينها وبين البطاريات التقليدية في مادة الإلكتروليت. بدلًا من استخدام سوائل قابلة للاشتعال، تحتوي هذه البطاريات الجديدة على إلكتروليتات صلبة تقلل بشكل كبير من احتمالية حدوث حرائق، وهي ميزة يطمح إليها جميع العاملين في مجال البطاريات منذ زمن بعيد. يعتقد معظم الخبراء أننا سنرى هذه البطاريات متاحة تجاريًا في حوالي عام 2030، وربما قبل ذلك إذا سارت الأمور بشكل جيد. إن الشركات الكبيرة تستثمر بالفعل مبالغ كبيرة في تطوير هذه التكنولوجيا، ومعامل الأبحاث في جميع أنحاء العالم تعمل بجد لتطوير تقنيات الإنتاج الجماعي.
يعتمد مستقبل تقنية البطاريات الليثيومية بشكل كبير على طرق إعادة التدوير الأفضل التي تعمل ضمن إطار الاقتصاد الدائري. عندما نتحدث عن تقليل النفايات أثناء استعادة المعادن الثمينة من البطاريات القديمة، فإن هذا النوع من الابتكار مهم حقًا للاحتفاظ بعمليات صديقة للبيئة. تسمح بعض الأساليب الجديدة الآن للم recyclers باستخراج حوالي 95٪ من المواد مثل الليثيوم والكوبالت من الخلايا المستعملة. هذا النوع من معدلات الاستعادة مثير للإعجاب إلى حد كبير مقارنة بما كان ممكنًا قبل بضع سنوات فقط. ومع تشديد الحكومات لقواعد البصمة الكربونية والنفايات الإلكترونية، يواصل العديد من المصنعين ضخ الأموال في أنظمة إعادة تدوير الجيل التالي. تساعد هذه الاستثمارات الشركات على الامتثال لمتطلبات الجهات التنظيمية بينما تتخذ قرارات أكثر ذكاءً حول كيفية التعامل مع المواد الخام على المدى الطويل.