هل توجد بدائل أكثر استدامة من بطاريات الليثيوم؟

يتزايد الطلب العالمي على البطاريات؛ حيث يتطلع العالم إلى تزويد السيارات بالكهرباء بسرعة وتخزين الطاقة المتجددة.

وفي الوقت الذي تصعب فيه إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون التي تستخدم عادةً في المركبات الكهربائية وتتطلب كميات هائلة من الطاقة والمياه لاستخراجها، تبحث الشركات بشكل محموم عن بدائل أكثر استدامة يمكن أن تساعد في تعزيز انتقال العالم إلى الطاقة الخضراء.

إيجابيات وسلبيات بطاريات الليثيوم

للعثور على بدائل واعدة لبطاريات الليثيوم، من المفيد أن نفكر في الأسباب التي جعلتها تحظى بشعبية كبيرة في المقام الأول، وهو العمر الافتراضي، وكثافة الطاقة، والسلامة، والقدرة على التحمل.

لكن لهذه البطاريات أيضًا سلبيات كثيرة، من بينها أنه لا تزال إعادة تدويرها عملية معقدة بعد إنهاء عمرها الإفتراضي؛ إذ تستهلك طاقة وموارد أكثر من إنتاج بطارية جديدة.

في السياق عينه، إن استخراج الليثيوم باستخدام برك التبخر، يأتي مع بصمة مائية عالية بحيث يتم إطلاق الملوثات في البيئة أثناء عملية التبخر؛ ما قد يؤثر على المجتمعات المجاورة لمناطق الاستخراج.

والبديل عن طريقة التبخر هو تعدين الصخور الصلبة، الذي له عيوبه الخاصة أيضًا. فمقابل كل طن من الليثيوم يتم استخراجه أثناء تعدين الصخور الصلبة، ينبعث حوالي 15 طنًا من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي.

بدائل قابلة للتطبيق

يعمل الباحثون على تطوير نماذج عدة من البطاريات، ربما إذا تم تطويرها بشكل أكبر في المستقبل، يمكنها أن تحل في بعض الأجهزة محل بطاريات الليثيوم، خاصة في الأجهزة الصغيرة والقابلة للارتداء. ومن بين البطاريات التي يتم العمل عليها:

بطاريات أيون الصوديوم

في بطاريات أيون الصوديوم، يحل الصوديوم محل الليثيوم مباشرة. وعلى عكس بطاريات الليثيوم أيون، تحتوي بطاريات الصوديوم على مكونات رئيسة على رأسها الأنود والكاثود، وتؤدي الوفرة الطبيعية للصوديوم إلى تكلفة استخراج أقل بكثير.

كما أن عاملا آخر يصب لصالح بطارية الصوديوم وهو أنها يمكن أن تستفيد من مواد أخرى أقل تكلفة، مثل استبدال رقائق النحاس برقائق الألومنيوم.

أما من حيث التصنيع، فإن التحول سهل؛ لأن نفس المصانع، التي تنتج حاليًّا بطاريات أيونات الليثيوم، يمكنها تصنيع بطاريات الصوديوم. وكل ذلك يدل على أن التحول من إنتاج بطاريات الليثيوم إلى إنتاج بطاريات الصوديوم سيكون منخفض التكلفة إلى حدٍّ ما.

ومن إحدى فوائد بطاريات الصوديوم أيضًا هي سلامتها أثناء النقل؛ بسبب قدرتها على تفريغ الصوديوم إلى صفر فولت أثناء التخزين والنقل، ويقلل ذلك من مستويات خطر القابلية للاشتعال مقارنة ببطاريات الليثيوم.

إلا أن عائقًا يحول دون انتشار بطاريات الصوديوم هو انخفاض كثافة الطاقة، وبالنسبة لمصنعي السيارات الكهربائية، تمثل البطاريات ذات كثافة الطاقة المنخفضة مشكلة كبيرة؛ لأن ذلك يؤثر على مدى سير السيارة.

وفي حين أن بطاريات الليثيوم لديها كثافة طاقة تتراوح بين 150 و220 واط ساعة لكل كيلوغرام، فإن بطاريات الصوديوم لديها نطاق كثافة طاقة أقل يتراوح بين 140 و160. وهذا يعني أنه من غير المرجح أن يتم توسيع نطاق بطاريات الصوديوم تجاريًّا لاستخدامها في المركبات الكهربائية التي تتطلب نطاقات طويلة بين الشحنات.

كما أن هناك عقبة أخرى تتمثل في أن بطاريات الصوديوم لا يمكنها إدارة سوى عدد قصير من دورات الشحن خلال عمرها الافتراضي.

وحاليًّا، تتمتع بطاريات الصوديوم بدورة شحن تبلغ حوالي 5000 مرة، في حين يمكن شحن بطاريات الليثيوم أيون ما بين 8000 إلى 10000 مرة. لكن الباحثين يعملون على حل هذه المشكلة.

بطاريات الحالة الصلبة

تستخدم بطاريات الحالة الصلبة Solid-State Batteries  إلكتروليتات صلبة بدلاً من تلك السائلة أو المائية الشائعة في البطاريات التقليدية.

ويؤدي ذلك إلى تقليل خطر تكوين التشعبات داخل البطارية والتي يمكن أن تسبب فشلها، وتتمتع بطاريات الحالة الصلبة أيضًا بمخاطر أقل للاشتعال، وكثافة طاقة أعلى، ودورة شحن أسرع.

ومع ذلك، قد يكون من الصعب التوسع بسرعة في بطاريات الحالة الصلبة مقارنة ببطاريات الصوديوم؛ لأن الأخيرة أقل تكلفة، ويسهل دمجها في مصانع إنتاج بطاريات الليثيوم الحالية.

واستنادًا إلى التجارب، فإن تكاليف تصنيع بطاريات الحالة الصلبة أعلى حاليًّا من تكاليف بطاريات الليثيوم أيون.

وتتوفر بطاريات الحالة الصلبة حاليًّا على شكل أغشية رقيقة، ما يجعلها خيارًا للإلكترونيات القابلة للارتداء، وأجهزة إنترنت الأشياء، على سبيل المثال أنظمة أمان المنزل، والإضاءة الذكية. ويمكن استخدامها أيضًا في الأجهزة الطبية.

ولكن على الرغم من أن هذه البطاريات لها بعض الاستخدامات على نطاق صغير، إلا أنها ليست حاليًّا خيارًا لتخزين الطاقة على نطاق واسع.

بطاريات الليثيوم والكبريت

تتشابه بطاريات الليثيوم والكبريت في تركيبتها مع بطاريات الليثيوم أيون. وكما يوحي اسمها، فإنها لا تزال تستخدم بعض الليثيوم في أنود البطارية، بينما يستخدم الكبريت في الكاثود.

وعلى الرغم من أن هذه البطاريات تحتوي على الليثيوم، إلا أن وفرة الكبريت تجعلها خيارا أكثر استدامة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية.

كما إن التشابه مع بطاريات الليثيوم أيون يجعل إنتاج بطاريات الليثيوم والكبريت سهلًا نسبيًّا، ويمكن تصنيعها في نفس مصانع الإنتاج، ما يوفر تكاليف الموارد التقنية الجديدة.

وتتمتع بطاريات الليثيوم والكبريت أيضًا بمزايا وظيفية إضافية؛ لأن لديها تسعة أضعاف كثافة الطاقة مقارنة ببطارية ليثيوم أيون التقليدية.

لكن هذه البطاريات تعاني من ضعف قابلية الشحن، كما يمكن أن يؤدي تكوين التشعبات داخل البطارية إلى فشلها بسرعة؛ ما يجعلها غير قابلة للاستخدام في المركبات الكهربائية.

وبطاريات الليثيوم والكبريت موجودة بالفعل في السوق، ويتم استخدامها للأجهزة التي تتطلب بطاريات ذات وزن أخف، ووقت شحن أطول.

لن يكون هناك نوع واحد

إذا كان هناك شيء واحد واضح، فهو أنه لن يكون هناك نوع واحد من البطاريات يمثل حلًّا عالميًّا لاستبدال بطاريات الليثيوم أيون.

وهنا سؤال يطرح نفسه: هل نحن فعلاً بحاجة إلى استبدال الليثيوم في جميع البطاريات، أو ما نحتاجه فقط هو تنويع تكنولوجيا البطاريات بحيث لن يكون هناك بديل واحد، ولكن بدائل عدة يمكن استخدام كل منها في المكان الأنسب.