نجح معهد كوريا للمعايير والعلوم (KRISS) في تطوير تقنية تصنيع متقدمة تتيح إنتاج أغشية إلكتروليت صلب فائقة الكثافة بمساحات واسعة، مما يقلل تكلفة إنتاج بطاريات الحالة الصلبة إلى عُشر التكلفة التقليدية. تعتمد التقنية على طلاء مسحوق الإلكتروليت بمركبات متعددة الوظائف من نظام ليثيوم-ألومنيوم-أكسيد (Li-Al-O)، مما يمنع تبخر الليثيوم أثناء عملية التشطيب عالية الحرارة، ويزيد من كثافة الأغشية وصلابتها وأدائها الكهربائي، مع تحقيق إنتاج واسع النطاق ونسبة إنتاجية تصل إلى 99.9%. هذا الإنجاز يشكل نقطة تحول في اتجاه أمان وكفاءة بطاريات الليثيوم الصلبة المستخدمة في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة.

جدول المحتويات

🔧 خلفية التقنية وأهميتها في مجال البطاريات الصلبة

تُعتبر بطاريات الحالة الصلبة (All-Solid-State Batteries – ASSBs) الجيل القادم من بطاريات الليثيوم، والتي تتفوق على بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية بفضل استبدال الإلكتروليت السائل القابل للاشتعال بإلكتروليتات صلبة غير قابلة للاشتعال. هذه الخاصية ترفع من سلامة البطاريات، خاصة في مجالات السيارات الكهربائية (EVs) وأنظمة تخزين الطاقة (ESS)، حيث تم تسجيل حوادث حرائق وانفجارات بسبب تسرب السوائل القابلة للاحتراق.

الإلكتروليتات السائلة في بطاريات الليثيوم التقليدية تشكل خطراً من ناحية السلامة.
الإلكتروليتات الصلبة مثل ذات النوع الغارنيتي (Garnet) توفر سلامة محسنة وكثافة طاقة عالية.
بطاريات الأكسيد الصلبة تعد خياراً واعداً لتقليل خطر الانبعاثات السامة المرتبطة بأنظمة الكبريتيد.

نقطة ميكانيكية مهمة:
كثافة الأغشية الصلبة عاملاً أساسياً في تحسين الموصلية الأيونية والثبات الكيميائي للبطارية، ما يؤثر بشكل مباشر على أداء وكفاءة أنظمة تخزين الطاقة.

🔥 التحديات التقنية في تصنيع الأغشية عالي الأداء

إنتاج أغشية إلكتروليت صلبة عالية الكثافة يعتمد على عملية التلبيد (Sintering) عند درجات حرارة عالية تتخطى 1000 °م، حيث يتم ضغط وتوحيد جزيئات مسحوق الغشاء.

عند هذه الحرارة، تواجه المواد المحيطة مشكلة تبخر الليثيوم (lithium evaporation)، وهو عنصر ضروري للحفاظ على البنية الكيميائية للغشاء.
تبخر الليثيوم يسبب:
- ضعف استقرار المركب الورقي للمادة.
- انخفاض الموصلية الأيونية.
- زيادة المقاومة عند الواجهات الكهربائية.
- صعوبة في تصنيع مساحات كبيرة للأغشية.
الحل التقليدي كان استخدام كميات كبيرة من مسحوق إلكتروليت يحتوي على الليثيوم لتغطية الأغشية أثناء التشطيب، لكن الطريقة تسبب:
- هدر كبير (أكثر من 10 أضعاف المادة الأم المستخدمة في الأغشية).
- زيادات كبيرة في التكلفة الإجمالية.
- عوائق أمام تصنيع الأسطح الكبيرة والتجارية.

🏭 تقنية الطلاء الرقيقة متعددة الوظائف: كيف تعمل ومميزاتها؟

قدم فريق البحث في KRISS تقنية مبتكرة عبر طلاء مسحوق الإلكتروليت بمركبات Li-Al-O (ليثيوم-ألومنيوم-أكسيد)، والتي تضيف وظائف متعددة أثناء التلبيد:

تزويد الليثيوم خلال التشطيب لمنع تبخره.
تعزيز التماسك بين الجزيئات عبر تأثير يشبه اللحام (soldering-like effect)، مما يحسن من تكاثف الغشاء.
إنتاج أغشية ذات كثافة تتجاوز 98.2% بدون الحاجة إلى مسحوق احتياطي مكلف.
تحقيق أغشية ذات قوة عالية وخالية من العيوب الكيميائية والميكانيكية.
زيادة الموصلية الأيونية بأكثر من الضعف مقارنة بالمواد التقليدية.
تقليل الموصلية الإلكترونية بأكثر من 20 مرة، ما يقلل من التسرب الكهربائي الداخلي ومخاطر التيار.

خلاصة تقنية:
الجمع بين الطلاء الرقيق وتزويد الليثيوم أثناء التلبيد سمح بتجاوز قيود المواد والحفاظ على جودة الأغشية، ما يعد إنجازاً كبيراً في مجال تصنيع البطاريات الحالة الصلبة.

🚗 إنتاج واسع النطاق ومردودية عالية

نجح الفريق في إنتاج أغشية إلكتروليت صلب بمساحة 16 سم مربع، وهو ما يعادل أكثر من عشرة أضعاف حجم الأقراص المخببرية التقليدية. هذا الحجم الكبير يعزز من قابلية التصنيع التجاري ويقلل من الفاقد.

مردودية الإنتاج بلغت 99.9%، ما يدل على استقرار العملية وفعالية الأداء الصناعي.
هذه الأرقام تفتح الباب أمام إنتاج محلي يقلل الاعتماد على الاستيراد، ويخفض التكاليف التي تقدر بـ550 دولارًا للوحدة ذات 1 سم قطر.

لماذا هذا مهم صناعيًا؟
تخفيض التكلفة إلى عُشر التكلفة السابقة يجعل من إنتاج بطاريات الحالة الصلبة خيارًا عمليًا وموثوقًا للأسواق المتخصصة في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة على نطاق واسع.

🔍 خاتمة وتحليل تطبيقي

تمثل هذه التقنية تقدماً ملموساً في مجال الأتمتة الميكانيكية والتصنيع الصناعي للبطاريات فائق الأداء. إذ تعالج مشكلة رئيسية تقليدية في صناعة الأغشية، وهي فقدان الليثيوم أثناء التلبيد، بنهج مبتكر يعتمد على الفيزياء والكيمياء السطحية.

هذا الابتكار يشير إلى إمكانية تسريع دخول بطاريات الحالة الصلبة إلى الأسواق بفضل تخفيض التكاليف وتحسين المعايير الفنية.
توفر مستوى أمان أعلى في البطاريات، وحماية ضد الحوادث الناجمة عن تفاعلات الإلكتروليتات السائلة.
يحفز تطوير الطاقات الجديدة في السيارات الكهربائية، ما يدعم استدامة الطاقة وتقليل الانبعاثات البيئية.

قد تكون هذه النقلة هي البوصلة التي توجه مستقبل تصميم الأنظمة الحرارية والميكانيكية في مجال الطاقة، مع دعم قوي لأبحاث أنظمة الطاقة المتجددة وإنتاج أنظمة تخزين أكثر كفاءة وموثوقية.

في ضوء ذلك، تُظهر هذه الدراسة أن دمج التعديلات السطحية الدقيقة في مواد الإلكتروليت يمكن أن يحسن من الأداء ويقلل التكلفة، ما يؤكد دور الهندسة الميكانيكية في تطوير حلول طارئة لتحديات الصناعة والطاقة المستقبلية.

المراجع الفنية:
Kim, H.-J., et al. (2025). Revitalizing multifunctionality of Li-Al-O system enabling mother-powder-free sintering of garnet-type solid electrolytes. Materials Today. DOI: 10.1016/j.mattod.2025.11.033.