ناشئة المواد تقتحم عالم بطاريات الليثيوم: ثورة في الكفاءة والتكلفة المنخفضة

مواد ناشئة: ثورة في تصنيع بطاريات الليثيوم أيون نحو الأفضل والأرخص

شهدت بطاريات الليثيوم أيون انخفاضاً هائلاً في التكلفة على مدار العقد الماضي، حيث انخفضت بنسبة 75%. هذا الإنجاز المذهل ليس نتيجة لقفزة نوعية واحدة، بل هو نتاج سلسلة من التحسينات المتراكمة التي ساهمت في هذا التقدم. ومن بين هؤلاء الذين يدركون هذه الحقيقة جيداً هو تشايتانيا شارما، مؤسس شركة "مواد ناشئة" (Nascent Materials)، وهي شركة ناشئة تعمل في الخفاء حتى الآن.

رحلة شارما في عالم البطاريات:

أمضى شارما ما يزيد قليلاً عن عامين في العمل في مصنع "جيجا فاكتوري" التابع لشركة تسلا في ولاية نيفادا الأمريكية، ثم قاد شركة iM3NY، وهي شركة مصنعة لبطاريات الليثيوم أيون في نيويورك، لمدة عامين آخرين. وبعد تركه لشركة iM3NY في نوفمبر 2023، بدأ شارما في العمل على طريقة جديدة لمعالجة مواد الكاثود لبطاريات الليثيوم أيون، وهو أحد تلك التحسينات الصغيرة التي تعد بمواصلة خفض التكاليف.

تقنية "مواد ناشئة" الواعدة:

تعتمد رؤية شارما على تطوير طرق جديدة لتصنيع المواد، بدلاً من التركيز على ابتكار كيمياء جديدة معقدة. وتهدف عملية "مواد ناشئة" الجديدة إلى تحسين كثافة الطاقة في الكاثود بنسبة تصل إلى 12%، مع خفض تكلفة الإنتاج بنسبة 30%. هذا النهج الذي يركز على التصنيع جذب استثمارات مبكرة. فقد جمعت الشركة مؤخراً 2.3 مليون دولار في جولة تمويل أولية بقيادة شركة SOSV، بمشاركة صندوق New Jersey Innovation Evergreen Fund و UM6P Ventures.

التركيز على مواد الكاثود LFP و LMFP:

تركز الشركة الناشئة في البداية على تصنيع مواد الكاثود من فوسفات الليثيوم والحديد (LFP) وفوسفات الليثيوم والمنغنيز والحديد (LMFP). وقد اكتسبت هاتان المادتان شعبية متزايدة بين صانعي السيارات ومشغلي مراكز البيانات. فقد أدت التحسينات الأخيرة إلى تقريب كثافة الطاقة في بطاريات LFP من كثافة الطاقة في البطاريات الأكثر تطوراً القائمة على النيكل والكوبالت، ولكن بتكاليف أقل بكثير.

التحديات في صناعة البطاريات:

أشار شارما إلى أن الحصول على مواد ذات جودة ثابتة كان يمثل تحدياً في شركة iM3NY، وهو ما ساهم في إفلاس الشركة في يناير. تنبع المشكلة من أوجه عدم المساواة في سلسلة التوريد. فغالباً ما تحصل الشركات الكبيرة مثل مصنع "جيجا فاكتوري" التابع لشركة تسلا، والذي يعمل بالشراكة مع شركة باناسونيك، على مواد أكثر اتساقاً. أما الشركات الصغيرة، التي تنفق ما بين 100 إلى 200 مليون دولار على مصانعها، فإنها تحصل على مواد ذات جودة متفاوتة.

رؤية "مواد ناشئة" لحل المشكلات:

هذا هو السبب الرئيسي وراء إطلاق "مواد ناشئة"، حيث يهدف شارما إلى ضمان توفير مواد متسقة لجميع العملاء. تميل مواد الكاثود إلى أن تأتي على شكل مساحيق، وعلى الرغم من أنها قد تبدو متسقة للعين المجردة، إلا أن الاختلافات الطفيفة في الحبيبات يمكن أن يكون لها تأثير كبير على النتيجة النهائية.

عملية تصنيع مبتكرة:

طورت "مواد ناشئة" عملية تستخدم طاقة أقل، مع الوعد بإنشاء جزيئات ذات أحجام وأشكال أكثر اتساقاً. وهذا يسمح بتعبئة المادة بشكل أكثر إحكاماً، مما يحسن كثافة الطاقة. توفر العملية أيضاً مزايا إضافية لسلسلة التوريد. يمكنها أيضاً استخدام مواد خام ذات نقاوة أقل، مما يفتح الباب أمام المزيد من الإمدادات المحلية.

التوسع المستقبلي:

على الرغم من أن "مواد ناشئة" تركز اليوم على LFP و LMFP، إلا أن شارما يقول إن الشركة تخطط للتوسع لتشمل كيمياء أخرى، بما في ذلك النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) والليثيوم الغني بالمنغنيز (LMR)، وهي كيمياء جديدة نسبياً ستطرحها شركة جنرال موتورز في عام 2028.

أهمية الاعتماد على الموارد المحلية:

يركز هذا التوجه المحلي على معالجة الاعتمادية الحرجة للصناعة. فاليوم، يتم تصنيع الغالبية العظمى من مواد الكاثود في الصين. يهدف شارما إلى تبسيط سلسلة التوريد، بحيث يمكن استخدام المواد الخام المحلية، مما يؤدي إلى خفض التكاليف.

نظرة عامة على بطاريات الليثيوم أيون:

تعتبر بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) تقنية تخزين الطاقة الأكثر استخداماً في العالم اليوم. وهي تستخدم في مجموعة واسعة من الأجهزة، من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة على نطاق الشبكة. تتكون بطارية الليثيوم أيون من أربعة مكونات رئيسية:

• الكاثود: وهو القطب الموجب للبطارية، وعادة ما يكون مصنوعاً من أكسيد معدني مثل أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2) أو فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4).
• الأنود: وهو القطب السالب للبطارية، وعادة ما يكون مصنوعاً من الجرافيت.
• الفاصل: وهو مادة عازلة تمنع التلامس المباشر بين الكاثود والأنود.
• الإلكتروليت: وهو سائل أو مادة صلبة تسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بين الكاثود والأنود.

كيف تعمل بطاريات الليثيوم أيون:

عندما يتم شحن بطارية الليثيوم أيون، تنتقل أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود. وعندما يتم تفريغ البطارية، تنتقل أيونات الليثيوم من الأنود إلى الكاثود، مما يوفر الطاقة.

أنواع مواد الكاثود:

تختلف أداء بطاريات الليثيوم أيون اعتماداً على نوع مادة الكاثود المستخدمة. تشمل بعض أنواع مواد الكاثود الأكثر شيوعاً:

• أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2): يتميز بكثافة طاقة عالية، ولكنه مكلف ويحتوي على الكوبالت، وهو معدن نادر.
• فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4): يتميز بالأمان العالي والعمر الطويل، ولكنه يتمتع بكثافة طاقة أقل من LiCoO2.
• أكسيد النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC): يوفر توازناً جيداً بين كثافة الطاقة والأداء والتكلفة.
• أكسيد النيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA): يتميز بكثافة طاقة عالية، ولكنه أكثر عرضة للتدهور في درجات الحرارة المرتفعة.

أهمية تحسين مواد الكاثود:

تلعب مواد الكاثود دوراً حاسماً في تحديد أداء بطارية الليثيوم أيون. يمكن أن تؤدي التحسينات في مواد الكاثود إلى:

• زيادة كثافة الطاقة، مما يسمح بزيادة نطاق السيارات الكهربائية أو تقليل حجم البطاريات.
• تحسين السلامة، مما يقلل من خطر نشوب حرائق أو انفجارات.
• إطالة عمر البطارية، مما يقلل من الحاجة إلى استبدال البطاريات.
• خفض التكاليف، مما يجعل السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة أكثر بأسعار معقولة.

التحديات المستقبلية في صناعة البطاريات:

تواجه صناعة البطاريات العديد من التحديات، بما في ذلك:

• الحاجة إلى مواد خام مستدامة ومتاحة بسهولة.
• الحاجة إلى تحسين كفاءة إنتاج البطاريات.
• الحاجة إلى تطوير تقنيات إعادة تدوير البطاريات.
• الحاجة إلى تطوير بطاريات ذات أداء أفضل وتكاليف أقل.

الخلاصة:

تمثل "مواد ناشئة" مثالاً على الشركات الناشئة التي تسعى إلى إحداث ثورة في صناعة البطاريات من خلال الابتكار في عمليات التصنيع. من خلال التركيز على تحسين مواد الكاثود، تهدف الشركة إلى خفض التكاليف وزيادة أداء البطاريات، مما يساهم في تسريع التحول إلى الطاقة النظيفة. إن نجاح هذه الجهود سيكون له تأثير كبير على مستقبل السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة.