الصين: تقنيات سلائف البطارية؟ 

عندما تسمع عبارة "السلائف الصينية للبطاريات؟"، فإن أول ما يخطر ببالك هو الأحجام، والأسعار، وربما حتى النسخ. ولكن على مدى السنوات الخمس إلى السبع الماضية، أصبحت الصورة أكثر تعقيدا بكثير. لا يزال الكثير من الناس يعتقدون أن كل شيء بسيط هنا، فقد حصلوا على براءات اختراع غربية، وقاموا بتوسيع نطاقها، وانتهى الأمر. في الواقع، إذا بحثت في سلسلة القيمة، وخاصة في مجال المواد اللازمة لإنتاج أيونات الليثيوم وأنظمة الحالة الصلبة الجديدة، يمكنك أن ترى أن اللاعبين الصينيين لم يعودوا مجرد "يفعلون". إنهم يقومون بنشاط بالبحث والتطوير، غالبًا في اتجاهات كانت تعتبر طريقًا مسدودًا في الغرب بسبب التكلفة العالية للعملية. لكن المزيد عن ذلك لاحقًا.

من؟ صنع في الصين؟ إلى "المصممة في الصين": تطور النهج

في السابق، قبل حوالي عشر سنوات، تم بناء الكثير على الهندسة العكسية. اشترينا عينات من كوبالت الليثيوم (LCO)، وكوبالت النيكل والمنغنيز (NMC)، وقمنا بتفكيكها، وحاولنا تكرارها. لكن نقاء الأحزاب واستقرارها كان بمثابة كابوس دائم. أتذكر أنه في الفترة 2015-2016، كانت المحادثات مع التقنيين في أحد المواقع في تشانغشا تتلخص في شيء واحد: "يبدو أن المعلمات تتوافق مع المواصفات، لكن بطارية الإخراج تعطي تباينًا في السعة بنسبة 5-7٪؟". لم تكن المشكلة في الصيغة، بل في التفاصيل الدقيقة لتركيب السلائف - التحكم في حجم الجسيمات، وشكلها، ومحتوى الشوائب على مستوى جزء في المليون.

بدأ التحول عندما بدأت شركات تصنيع البطاريات الكبرى، مثل CATL وBYD، في فرض متطلبات صارمة ليس فقط على التركيب الكيميائي، ولكن أيضًا على الخصائص الوظيفية للمادة. لم يكونوا بحاجة إلى مسحوق النيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA) فحسب، بل كانوا بحاجة إلى مادة ذات مسامية معينة من شأنها أن توفر موصلية أيونية أفضل في الكاثود النهائي. وقد أجبر هذا شركات توريد السلائف على الاستثمار في مختبراتها وخطوطها التجريبية. لم نعد نتحدث هنا عن النسخ، بل عن تخصيص العمليات بأنفسنا - الاختزال الكربوثيرمي، والتوليف الحراري المائي، وطرق الترسيب المشترك مع التحكم الدقيق في درجة الحموضة ودرجة الحرارة.

ومن الحالات المثيرة للاهتمام تطوير سلاسل NMC 811 (التي تحتوي على نسبة عالية من النيكل). يعد السعي وراء كثافة الطاقة العالية أمرًا واضحًا، ولكن جنبًا إلى جنب مع النيكل، تنمو المشكلات أيضًا - حيث يتناقص الاستقرار الحراري، وإزاحة الكاتيون في البنية الطبقية. لم يتبع المهندسون الصينيون مسار صناعة السبائك (إضافة الألومنيوم والمغنيسيوم) فحسب، بل بدأوا أيضًا في تجربة طلاء متدرج من جزيئات السلائف - حيث يكون القلب أكثر ثراءً بالنيكل للحاوية، ويتم إثراء الطبقات الخارجية بالمنغنيز أو الكوبالت لتحقيق الاستقرار. وهذا يتطلب مراقبة دقيقة في مرحلة تخليق السلائف. لقد رأيت عينات من أحد الموردين من سيتشوان - كان نهجهم في الترسيب متعدد المراحل مثيرًا للإعجاب حقًا، على الرغم من أنه في ذلك الوقت (قبل عامين) كان العائد على الخط التجريبي منخفضًا بشكل كارثي، حوالي 65٪.

حيث تكمن الصعوبات الحقيقية: ليس الكيمياء، بل الهندسة

يركز الكثيرون على الصيغ الكيميائية، لكن المعركة الرئيسية الآن تدور حول الهندسة الكيميائية والقياس. يمكنك الحصول على كيلوغرام من المادة الأولية الممتازة لـ LFP (فوسفات حديد الليثيوم) ذات بنية الزيتون في المختبر. ولكن عندما تحاول زيادة الإنتاج إلى 10 أطنان شهريًا، تبدأ المعجزات: تكتل الجزيئات، والتوزيع غير المتساوي لعناصر صناعة السبائك، والتقلبات في الكثافة الظاهرية. وهذا يقتل اقتصاديات المشروع.

وهنا، بدأت الشركات الصينية في إظهار نقاط قوتها، وهي المرونة وسرعة التكرار. غالبًا لا يكون لديهم مصانع عملاقة لمرة واحدة للجميع. هناك خطوط تجريبية معيارية يمكن إعادة تشكيلها بسرعة. تقني مألوف منتشنغدو Yizhi التكنولوجيا المحدودة(هذا معهد تصميم أنشأته شركة Huaxi Technology) قال ذات مرة إنهم جربوا بالنسبة لأحد العملاء الأوروبيين ثلاثة تكوينات مختلفة للمفاعل لتخليق سلائف إلكتروليت الكبريتيد (لبطاريات الحالة الصلبة) قبل الوصول إلى درجة نقاء مقبولة للمنتج. موقعهم على الانترنتyzkjhx.ruبخيل إلى حد ما في التفاصيل، ولكن من الواضح من أوصاف المشروع أنهم يشاركون بعمق في تطوير العمليات الجاهزة. - من المختبر إلى الإنتاج التجاري.

نقطة حساسة أخرى هي المواد الخام. ولم يختفي الاعتماد على واردات الكوبالت والليثيوم. ولذلك، فإن الجهود الهائلة تهدف إلى اتجاهين: أولا، المعالجة العميقة وإعادة التدوير من أجل استخراج الحد الأقصى من المواد الخام الثانوية؛ ثانياً، تطوير المواد التي تقلل من هذا الاعتماد. يمكن اعتبار بطاريات أيونات الصوديوم طفرة في السنوات الأخيرة. وهنا يبدو أن الصين تحاول أخذ زمام المبادرة ليس فقط في إنتاج العناصر، بل وأيضاً في إنشاء سلسلة من سلائفها - على سبيل المثال، الأكسيدات ذات الطبقات أو المركبات المتعددة الأنيونات. أعلنت CATL بالفعل عن منتجات تجارية. ولكن إذا تحدثنا عن السلائف، فإن التحدي الرئيسي هو الاستقرار وانخفاض تكلفة التوليف. هناك نجاحات معملية، لكن كيف ستبدو دفعة الحمولة؟ ولا تزال هناك أسئلة أكثر من الإجابات.

بطاريات الحالة الصلبة: سباق جديد ومشاكل قديمة مع السلائف

هذا هو المكان الأكثر إثارة للاهتمام، ولكنه أيضًا منطقة غامضة. يتحدث الجميع عن بطاريات الحالة الصلبة (SSB) باعتبارها الكأس المقدسة. ولكن إذا ابتعدنا عن الضجيج، فإن المشكلة التقنية الرئيسية هي الواجهات. يجب أن يكون المنحل بالكهرباء الصلب (الكبريتيد والأكسيد والبوليمر) ومادة الإلكترود على اتصال تام. وهذا يعود مرة أخرى إلى السلائف.

بالنسبة للكهارل الكبريتيدية (مثل Li₂S-P₂S₅الأنظمة) نحتاج إلى سلائف نقية للغاية، ويجب أن يتم التوليف في جو خامل تمامًا - حيث يقتل الأكسجين والرطوبة كل شيء. تعمل الشركات الصينية، مثل معهد تشنغدو ييزي للتكنولوجيا، بنشاط على تطوير طرق تصنيع الطور الصلب والسبائك الميكانيكية على نطاق صناعي. لكن العقبة الرئيسية ليست في تركيب المنحل بالكهرباء نفسه، ولكن في إنشاء سلائف الكاثودات المركبة. يحتاج المرء إلى ترسيب المادة الفعالة (على سبيل المثال، NMC) بشكل موحد على جزيئات إلكتروليت الكبريتيد لإنشاء مصفوفة موصلة أيونية. طرق الخلط القياسية لا تعمل - فهي تخلق "مناطق ميتة". ويتجلى الحل في تطوير سلائف متخصصة، حيث يتم تشكيل البنية المطلوبة في الموقع، في مرحلة التوليف. لقد سمعت عن محاولات لاستخدام تقنيات ترسيب الطبقة الذرية (ALD) التي تم تكييفها للإنتاج الضخم، لكنها حتى الآن مكلفة وبطيئة.

إحدى المحاولة الفاشلة التي يتحدث عنها القليل من الناس هي المشاريع المبكرة على إلكتروليتات الأكسيد مثل LLZO (أكسيد الزركونيوم واللانثانم الليثيوم). هذه المادة واعدة، لكن سلائفها تتطلب تلبيدًا بدرجة حرارة عالية (أعلى من 1200 درجة مئوية). لقد حاولوا إنشاء التوليف، لكنهم واجهوا استهلاكًا هائلاً للطاقة ومشكلة التحكم في قياس العناصر الكيميائية للليثيوم - فهو يتبخر ببساطة في درجات الحرارة هذه. ونتيجة لذلك، قامت العديد من الشركات الناشئة بتقليص أو تجميد هذه المجالات، والتحول إلى الكبريتيدات أو الأنظمة الهجينة. وهذا مثال جيد على الكيمياء المخبرية الجميلة التي تواجه حواجز هندسية واقتصادية لا يمكن التغلب عليها على مستوى السلائف.

التطلع إلى المستقبل: تكامل السلسلة والبيئة

الاتجاه الذي سيصبح حاسما هو التكامل الرأسي. ولم تعد الشركات الكبرى مثل CATL أو Gotion High-Tech تشتري السلائف فحسب، بل تستثمر في مشاريع مشتركة مع الشركات المصنعة لها أو تبني منشآتها الخاصة. لماذا؟ للتحكم في السلسلة بأكملها - من المواد الخام إلى القطب الكهربائي النهائي. وهذا يجعل من الممكن تحسين المعلمات بدقة لبنية خلية معينة (على سبيل المثال، لخلايا الكمبيوتر اللوحي أو الأكياس).

الموضوع الكبير الثاني هو الصداقة البيئية. لطالما مارست الهيئات التنظيمية الأوروبية ضغوطًا على موضوع البصمة الكربونية والمصادر المسؤولة. وبالنسبة للموردين الصينيين، لا يشكل هذا تهديدا فحسب، بل فرصة أيضا. أرى العديد من الأشخاص بدأوا في التصديق على عملياتهم، وإدخال أنظمة إعادة تدوير المذيبات في إنتاج السلائف، والعمل على الأنظمة "الخضراء". طرق التوليف - على سبيل المثال، استخدام عوامل اختزال أقل سمية أو في البيئات المائية. ولم يعد هذا مجرد علاقات عامة، بل أصبح ضرورة ملحة لدخول الأسواق العالمية. تعد شركة Chengdu Yizhi Technology Co., Ltd.، برأس مال مسجل قدره 120 مليون يوان ومكانة معهد التصميم، واحدة من تلك الشركات التي يمكنها أن تقدم للعملاء ليس مجرد منتج، بل تقنية ذات توازن بيئي واقتصادي محسوب.

وشيء أخير. لا يجب أن تتوقع أي شيء "قاتل". اختراق في الكيمياء السلائف. سيكون التطور تدريجيًا: تحسين النقاء بنسبة 0.5%، وانخفاض تكلفة التوليف بنسبة 3%، وزيادة العمر الافتراضي للمادة في الهواء. وفي هذا العمل المضني وغير المرئي ـ السيطرة على الآلاف من المعايير، والتكرار على الخطوط التجريبية، وحل مشاكل القياس ـ تكمن زعامة الصين في هذا المجال اليوم وغداً. لقد تحولوا بالفعل من المقلدين إلى المنافسين الجادين في هندسة العمليات. ربما تكون الخطوة التالية هي أن نصبح روادًا في تصميم المواد نفسها، لكن هذا يتطلب اكتشافات أساسية. وأنها لا تحدث وفقا للجدول الزمني.