لطالما كانت تويوتا رائدة في مجال الابتكار في مجال السيارات، بدءًا من ريادة تكنولوجيا السيارات الهجينة مع بريوس إلى وضع معايير جديدة في الموثوقية والكفاءة. ومع تسارع صناعة السيارات العالمية نحو التحول إلى السيارات الكهربائية، تحول تركيز تويوتا نحو البطاريات الصلبة – وهي التكنولوجيا التي تعد بإحداث ثورة في المركبات الكهربائية بكثافات طاقة أعلى وأوقات شحن أسرع وسلامة محسنة.
تويوتا وتكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة
في السنوات الأخيرة، قطعت تويوتا خطوات كبيرة في تطوير تكنولوجيا البطاريات الصلبة، بهدف التغلب على قيود بطاريات الليثيوم أيون الحالية. تختلف البطاريات ذات الحالة الصلبة عن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية من خلال استخدام إلكتروليت صلب بدلاً من السائل. يسمح هذا التغيير الأساسي بالعديد من المزايا، بما في ذلك كثافة الطاقة الأعلى، والتي يمكن أن تزيد بشكل كبير من نطاق المركبات الكهربائية.
تحسين السلامة وتقليل المخاطر
تعمل الإلكتروليتات الصلبة أيضًا على تحسين السلامة من خلال تقليل مخاطر التسرب والحرائق المرتبطة بالإلكتروليتات السائلة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للبطاريات ذات الحالة الصلبة دعم أوقات شحن أسرع، مما يجعل المركبات الكهربائية أكثر ملاءمة للمستخدمين.
تويوتا تتعاون مع باناسونيك وماساتشوستس للتكنولوجيا
يعود اهتمام تويوتا بالبطاريات ذات الحالة الصلبة إلى أكثر من عقد من الزمان. وإدراكًا منها لقيود تكنولوجيا أيونات الليثيوم، بدأت تويوتا في الاستثمار بكثافة في البحث والتطوير لبدائل الحالة الصلبة. وكانت رؤيتها واضحة: إنشاء بطارية يمكنها التفوق على التقنيات الحالية في جميع المجالات الحرجة – كثافة الطاقة والسلامة وسرعة الشحن. وقد وضع استثمار تويوتا المبكر الشركة في الصدارة في السباق لتسويق بطاريات الحالة الصلبة.
باناسونيك اللاعب الكبير في صناعة البطاريات
وفي السنوات الأخيرة، دخلت تويوتا في عدة شراكات استراتيجية لتسريع تطوير بطاريات الحالة الصلبة. وكان التعاون مع الجامعات ومؤسسات البحث وشركات السيارات الأخرى حاسماً في التغلب على التحديات التقنية. ومن الجدير بالذكر أن شراكة تويوتا مع باناسونيك كانت مفيدة، حيث جمعت بين خبرة تويوتا في مجال السيارات وتكنولوجيا البطاريات من باناسونيك. وباناسونيك، التي تعد بالفعل لاعباً رئيسياً في صناعة البطاريات، تجلب خبرتها الواسعة وقدراتها التكنولوجية إلى الطاولة، مما يعزز التآزر بين الشركتين. وتهدف هذه الشراكة إلى الاستفادة من نقاط القوة لدى كلتا الشركتين لتسريع تطوير وتسويق بطاريات الحالة الصلبة.
معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
ومن بين أوجه التعاون المهمة الأخرى التعاون مع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، حيث استثمرت تويوتا في الأبحاث التي تركز على المواد المتقدمة وتقنيات البطاريات. ومن خلال الشراكة مع إحدى مؤسسات الأبحاث الرائدة في العالم، تكتسب تويوتا القدرة على الوصول إلى المعرفة العلمية المتطورة والأساليب المبتكرة لحل التحديات المرتبطة بالبطاريات ذات الحالة الصلبة.
النموذج الأولي لسيارة تويوتا ببطارية الحالة الصلبة
في عام 2020، كشفت تويوتا عن نموذج أولي لمركبة تعمل بالبطاريات ذات الحالة الصلبة، مما يمثل إنجازًا مهمًا في رحلة تطويرها. أظهر هذا النموذج الأولي إمكانات تقنية الحالة الصلبة ، مما يوفر لمحة عن مستقبل المركبات الكهربائية. أظهر النموذج الأولي مقاييس أداء رائعة، بما في ذلك كثافة طاقة أعلى وأوقات شحن أسرع مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية. سلط هذا الإنجاز الضوء على تقدم تويوتا في ترجمة الأبحاث المعملية إلى تطبيقات عملية في العالم الحقيقي.
إخضاع البطاريات لظروف قاسية لضمان قدرتها
وقد ركزت مراحل الاختبار اللاحقة على تحسين متانة هذه البطاريات وطول عمرها، وهو أمر بالغ الأهمية للجدوى التجارية. وتتضمن بروتوكولات الاختبار الصارمة التي تتبناها تويوتا إخضاع البطاريات لظروف قاسية لضمان قدرتها على تحمل متطلبات الاستخدام اليومي. ويشمل ذلك اختبار التغيرات في درجات الحرارة والإجهاد الميكانيكي والدورة الطويلة الأجل لتقييم أداء البطاريات وموثوقيتها بمرور الوقت.
براءات الاختراع والابتكارات لدي تويوتا
يتجلى التزام TOYOTA بتكنولوجيا البطاريات ذات الحالة الصلبة في محفظتها الواسعة من براءات الاختراع. تمتلك الشركة أكثر من 1000 براءة اختراع تتعلق بالبطاريات ذات الحالة الصلبة، وتغطي الابتكارات في المواد وعمليات التصنيع وأنظمة إدارة البطاريات. لا تحمي هذه البراءات الملكية الفكرية لشركة تويوتا فحسب، بل تسلط الضوء أيضًا على اتساع وعمق جهودها البحثية.
تطوير بطارية صلبة قوية
ومن بين هذه البراءات، يركز العديد منها على مواد جديدة للإلكتروليتات الصلبة. وقد استكشفت TOYOTA خيارات مختلفة، بما في ذلك الكبريتيدات والأكاسيد والفوسفات، ولكل منها مجموعة فريدة من المزايا والتحديات. على سبيل المثال، توفر الإلكتروليتات القائمة على الكبريتيد موصلية أيونية عالية، وهو أمر بالغ الأهمية لتشغيل البطارية بكفاءة، ولكنها قد تكون غير مستقرة كيميائيًا. من ناحية أخرى، تعد الإلكتروليتات القائمة على الأكسيد أكثر استقرارًا ولكنها عادة ما تكون ذات موصلية أقل. وتهدف أبحاث TOYOTA إلى إيجاد التوازن الأمثل بين هذه الخصائص لتطوير بطارية صلبة قوية وعالية الأداء.
كما أن تصنيع هذه البطاريات على نطاق واسع يمثل تحديات، حيث تتطلب بطاريات الحالة الصلبة عمليات إنتاج دقيقة ومكلفة في كثير من الأحيان. وقد استثمرت TOYOTAفي تطوير تقنيات تصنيع متقدمة لمعالجة هذه التحديات. ويتضمن أحد الأساليب استخدام تقنيات الترسيب على الأغشية الرقيقة لإنشاء إلكتروليتات صلبة موحدة وخالية من العيوب. وتسمح هذه الطريقة بالتحكم الدقيق في تركيبة وبنية الإلكتروليت، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق الأداء العالي والموثوقية.
خطوط إنتاج البطاريات
ويركز نهج آخر على تطوير عمليات تصنيع قابلة للتطوير يمكن دمجها في خطوط إنتاج البطاريات الحالية. وتهدف تويوتا إلى الاستفادة من خبرتها في تصنيع السيارات لتبسيط إنتاج بطاريات الحالة الصلبة وخفض التكاليف. ومن خلال تحسين عملية التصنيع، تأمل تويوتا في تحقيق التكافؤ في التكلفة مع بطاريات الليثيوم أيون، مما يجعل تقنية الحالة الصلبة أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية.
البحث عن المتانة مع خفض التكاليف
في حين توفر بطاريات الحالة الصلبة العديد من المزايا ، إلا أن ضمان متانتها على المدى الطويل كان عقبة. ركزت أبحاث تويوتا على معالجة قضايا مثل تكوين الشجيرات العصبية، والتي يمكن أن تسبب دوائر قصيرة وتقليل عمر البطارية. الشجيرات العصبية هي هياكل صغيرة تشبه الإبر يمكن أن تتكون على أقطاب البطارية أثناء دورات الشحن والتفريغ. يمكن لهذه الهياكل اختراق الإلكتروليت الصلب، مما يتسبب في حدوث دوائر قصيرة داخلية وتقليل الأداء العام للبطارية.
قدرة البطاريات الصلبة لتحمل أقسي الظروف
وللتخفيف من حدة هذه المشكلة، استكشفت تويوتا استراتيجيات مختلفة، بما في ذلك تطوير مواد جديدة للأقطاب الكهربائية وتصميم طلاءات واقية للأقطاب الكهربائية. ومن خلال منع تكوين الشجيرات الشجرية – وهو ما تعمل عليه شركة هوندا أيضًا – تهدف تويوتا إلى تعزيز متانة بطارياتها ذات الحالة الصلبة وضمان تلبيتها للمتطلبات الصارمة لتطبيقات السيارات.
الاستخدام طويل الأمد
وهناك جانب آخر من جوانب المتانة وهو قدرة البطارية على الحفاظ على أدائها على مدار العديد من دورات الشحن والتفريغ. وتشمل بروتوكولات الاختبار الخاصة بتويوتا اختبارات الشيخوخة المتسارعة، حيث تخضع البطاريات لدورات سريعة لمحاكاة الاستخدام طويل الأمد. تساعد هذه الاختبارات في تحديد أوضاع الفشل المحتملة وتسمح لتويوتا بتحسين تصميم البطارية والمواد المستخدمة لتحسين طول عمرها.
تحدي تكلفة البطاريات ذات الحالة الصلبة
وهناك تحدٍ بالغ الأهمية يتمثل في تكلفة بطاريات الحالة الصلبة. ففي الوقت الحالي، أصبحت تكلفة إنتاجها أعلى من تكلفة إنتاج بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. وتعمل TOYOTA على تحسين عمليات التصنيع وتوسيع نطاق الإنتاج لخفض التكاليف. وسوف يكون تحقيق التكافؤ في التكلفة مع بطاريات الليثيوم أيون ضرورياً لاعتماد تكنولوجيا الحالة الصلبة على نطاق واسع.
تقنيات التصنيع المتقدمة
ومن بين الأساليب التي تستكشفها TOYOTA لخفض التكاليف استخدام مواد وفيرة ومنخفضة التكلفة للإلكتروليت الصلب. على سبيل المثال، يمكن تصنيع الإلكتروليتات القائمة على الكبريتيد من مواد خام غير مكلفة نسبياً، مما يجعلها خياراً فعّالاً من حيث التكلفة. وبالإضافة إلى ذلك، تستثمر TOYOTA في الأتمتة وتقنيات التصنيع المتقدمة لتحسين كفاءة الإنتاج وخفض تكاليف العمالة.
زيادة مدى القيادة
وتركز TOYOTA أيضًا على خفض التكلفة الإجمالية لامتلاك المركبات الكهربائية المجهزة ببطاريات الحالة الصلبة. ومن خلال تحسين كثافة طاقة البطارية وكفاءتها، تهدف تويوتا إلى زيادة مدى القيادة وتقليل تكرار الشحن، مما يؤدي في النهاية إلى خفض تكاليف التشغيل للمستهلكين. ويتماشى هذا النهج مع التزام تويوتا بتوفير حلول التنقل الكهربائي بأسعار معقولة وعملية.
بطاريات الحالة الصلبة من تويوتا عام 2027
حددت شركة تويوتا جدولاً زمنياً طموحاً لتسويق البطاريات ذات الحالة الصلبة. وتهدف الشركة إلى إدخال البطاريات ذات الحالة الصلبة في مركباتها بحلول عام 2027، مع استهداف الإنتاج الضخم في النصف الأخير من العقد. ويعكس هذا الجدول الزمني ثقة تويوتا في التغلب على التحديات الحالية والتزامها بقيادة الصناعة نحو مستقبل أكثر كهربائية.
توسيع نطاق الإنتاج
ولتحقيق هذه الإنجازات، وضعت تويوتا خارطة طريق شاملة تتضمن عدة مراحل رئيسية للتطوير. وتتضمن المرحلة الأولى تحسين تصميم البطارية والمواد المستخدمة فيها من خلال الاختبارات والتحقق الصارمين. وتهدف هذه المرحلة إلى معالجة أي تحديات تقنية متبقية وضمان تلبية البطارية لمعايير الأداء والسلامة. وتركز المرحلة الثانية على توسيع نطاق الإنتاج وإنشاء سلسلة توريد قوية للبطاريات ذات الحالة الصلبة. وتعمل تويوتا بشكل وثيق مع شركائها في التصنيع والموردين لضمان إمداد ثابت من المواد والمكونات عالية الجودة. وتتضمن هذه المرحلة أيضًا تحسين عملية الإنتاج لتحقيق الكفاءة من حيث التكلفة وقابلية التوسع.
مجموعة سيارات تويوتا
وتتضمن المرحلة النهائية دمج البطاريات ذات الحالة الصلبة في مجموعة سيارات تويوتا وإطلاق برامج تجريبية لجمع البيانات والملاحظات من العالم الحقيقي. وستساعد هذه البرامج التجريبية تويوتا في تقييم أداء البطارية في ظروف القيادة المختلفة وإجراء أي تعديلات ضرورية قبل التسويق التجاري الكامل.
التكامل بين مجموعة السيارات الكهربائية والهجينة
ومن المتوقع أن يبدأ دمج البطاريات ذات الحالة الصلبة في مجموعة السيارات الكهربائية التي تنتجها تويوتا بالطرازات الهجينة، مع الاستفادة من مزايا التكنولوجيا مع إدارة التكاليف. وتوفر المركبات الهجينة منصة مثالية لاختبار وتحسين البطاريات ذات الحالة الصلبة، حيث توفر مزيجًا من محركات الاحتراق الداخلي ومجموعات نقل الحركة الكهربائية. وهذا يسمح لشركة تويوتا بإدخال تكنولوجيا الحالة الصلبة تدريجيًا وجمع بيانات قيمة حول أدائها وموثوقيتها.
خطط تويوتا لنماذج كهربائية بالكامل
مع تزايد حجم الإنتاج وانخفاض التكاليف، تخطط تويوتا لتوسيع نطاق البطاريات ذات الحالة الصلبة لتشمل نماذج كهربائية بالكامل، مما يعزز من أدائها وجاذبيتها. ويسمح هذا النهج التدريجي لشركة تويوتا بتقديم تكنولوجيا الحالة الصلبة بشكل تدريجي مع تحسينها بناءً على ردود الفعل في العالم الحقيقي.
طريقة عمل بطارية الحالة الصلبة
تعمل بطاريات الحالة الصلبة بنفس الطريقة التي تعمل بها أي بطارية أخرى. فهي تأخذ الطاقة وتخزنها ثم تطلقها للأجهزة – من مشغلات الموسيقى إلى الساعات والآن محركات المركبات. والفرق هو المواد الموجودة بداخلها. تحتوي بطاريات الليثيوم أيون، المستخدمة في المركبات الكهربائية اليوم، على محلول إلكتروليت سائل محصور بين الكاثودات والأنودات. وبدلاً من ذلك، تستخدم بطاريات الحالة الصلبة إلكتروليتات صلبة. تعني الكثافة المتزايدة أن بطاريات الحالة الصلبة يمكنها أن تحمل ما بين ضعفين إلى عشرة أضعاف سعة بطارية ليثيوم أيون، وفقًا لتقارير AutoWeek
لماذا لا تستخدم السيارات الكهربائية بطاريات الحالة الصلبة بالفعل؟
توجد بالفعل بطاريات الحالة الصلبة، ولكن في أجهزة أصغر حجمًا بكثير مثل الساعات الذكية وأجهزة تنظيم ضربات القلب وعلامات تحديد الترددات الراديوية. والسبب الرئيسي وراء استخدامها في المركبات الكهربائية هو أنها باهظة الثمن ويصعب إنتاجها بحجم أكبر على نطاق واسع، وفقًا لشركة Vox. يوضح وبما أن المركبات التي تعمل بالبطاريات أصبحت بالفعل أكثر تكلفة من تلك التي تعمل بالغاز، فإن المستهلكين لم يعد لديهم رغبة في شراء مركبات أكثر تكلفة.
تويوتا وهوندا وتحديات بطاريات الحالة الصلبة
لم يتم التوصل بعد إلى بعض جوانب هذه التكنولوجيا، مثل طول العمر، لكن شركة تويوتا وهوندا تقولا إنهما تمتلكان حلولا . يمكن أن تتحلل الإلكتروليتات الصلبة بمرور الوقت، لذا تخطط هوندا لحمايتها عن طريق لفها في نسيج بوليمر جديد، Ars Technica التقاريرهذا مجرد واحد من العديد من جهود البحث والتطوير التي تتجه نحو هذا الابتكار الكيميائي الرائد من قبل مجموعة من مصنعي البطاريات ومصنعي المعدات الأصلية.
كما تحتاج البطاريات إلى الخضوع لاختبارات مكثفة للتأكد من متانتها على الطرق وعمرها الافتراضي للقيادة اليومية. تذكر أننا نتحدث عن حمل شيء ما على المعصم واستخدامه لتحريك سيارة أو شاحنة لأول مرة بأعداد كبيرة. وفي أفضل السيناريوهات، نرى السيارات الكهربائية الفاخرة ذات البطاريات ذات الحالة الصلبة تصل إلى السوق في ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين.
هل تزيد بطاريات الحالة الصلبة من المدى؟
بفضل البطارية ذات الحالة الصلبة، يجب أن تكون السيارات الكهربائية قادرة على السير لمسافة تعادل المسافة التي تقطعها السيارة العاملة بالغاز قبل إعادة التزود بالوقود. خذ على سبيل المثال خزان وقود سعة 15 جالونًا يقطع مسافة 50 كلم لكل جالون. يمكن لهذه السيارة أن تقطع مسافة 724 كلم قبل إعادة التزود بالوقود.
مدي السيارات الكهربائية
تتمتع معظم السيارات الكهربائية اليوم بمدى يتراوح بين 321 كلم إلى 482 كلم ميل، على الرغم منريفيان R1T مع بطارية بسعة قصوىتقطع مسافة 960 كلم بشحنة واحدة، وهي سيارة فاخرة للغاية واضح وتفتخر السيارة، التي تسير بالفعل على الطريق اليوم، بمدى يبلغ 830 كلم ميلاً في طراز 2024. ضرب هذه النطاقات بحوالي 50% (أو ما يصل إلى 80%، CarBuzz التقارير)، والبطاريات ذات الحالة الصلبة جاهزة للعب في الرحلات البرية. فالسيارة الكهربائية التي يبلغ مداها 482 كلم لديها الآن مسافة 742 كلم. بالإضافة إلى ذلك، فإن البطاريات ذات الحالة الصلبة تشحن بشكل أسرع من أيون الليثيوم مع تدهور أقل للبطارية نفسها.
الحالة الصلبة تحسن سلامة المركبات الكهربائية
مع التقارير المخيفة عن حرائق البطاريات في أعقاب الفيضانات، اكتسبت السيارات الكهربائية سمعة سيئة باعتبارها أشبه بأعواد الثقاب. ولكن في الواقع، ينبغي أن تذهب هذه السمعة إلى بطارية الليثيوم أيون. وإذا استبدلناها ببطارية معادلة من النوع الصلب، فإن السيارة الكهربائية تصبح معرضة لخطر نشوب حريق منخفض للغاية.
تعتبر الإلكتروليتات السائلة الموجودة في بطاريات الليثيوم أيون قابلة للاشتعال، ولكن بما أن بطاريات الحالة الصلبة لا تحتوي على هذا السائل، فإنها لا تتعرض لنفس مخاطر الحريق. إن الحرائق الناجمة عن بطاريات الليثيوم أيون نادرة، وتحرص شركات صناعة السيارات على توفير أغطية وتدابير وقائية لتجنبها، ولكن عندما تحدث فإنها تكون قوية ويصعب إخمادها، وتتطلب أحيانًا آلاف الجالونات من الماء. إن بناء المركبات الكهربائية غير القابلة للاشتعال يعد فوزًا كبيرًا للسائقين والمواطنين وإدارات الإطفاء.
كيف تقوم بإعادة تدوير بطاريات الحالة الصلبة؟
يمكن استخدام كل من بطاريات الليثيوم أيون والبطاريات ذات الحالة الصلبة مُعاد تدويرها في واحدة من العديد من المرافق الجديدة المخصصة لتجديد المواد التي انتهت صلاحيتها. على سبيل المثال، شركة Redwood Materials، التي أسسها المؤسس المشارك السابق لشركة Tesla JB Straubel، هي مشروع إعادة تدوير بطاريات واسع النطاق في نيفادا يشمل معقلبين مستثمريها.
بطاريات الليثيوم
“تستطيع البطاريات ذات الحالة الصلبة الاستفادة من البنية التحتية المتنامية لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون”، هذا ما قاله ويل ماكينا، رئيس التسويق لشركة بي إم دبليو وفولكس فاجن. قوة صلبة، كما يقول CarBuzz.
“مثل بطاريات الليثيوم أيون، تحتوي بطاريات Solid Power عادةً على النيكل والمنجنيز والليثيوم وكميات صغيرة من الكوبالت. وستعمل نفس الطرق المستخدمة في إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون عن طريق استخراج هذه المعادن أيضًا مع بطاريات الحالة الصلبة. وعلى هذا النحو، لا نتوقع الحاجة إلى عمليات إضافية للاستثمار في البنية الأساسية.”
بصمة كربونية أقل لبطاريات الحالة الصلبة
يمكن أيضًا استبعاد السيناريوهات الكابوسية لأكوام من بطاريات السيارات الكهربائية الميتة التي تتسرب إلى الأرض، حيث لا يوجد سائل بالداخل ليتسرب. ناهيك عن أن البطاريات الصلبة قد يكون لها بصمة كربونية أقل بنسبة 39% من بطاريات الليثيوم أيون، وفقًا لـ Electrek.