البطارية التي غيّرت عالمنا: من كيمياء الليثيوم إلى السيارات الكهربائية

خلال أزمة النفط في سبعينيات القرن الماضي، طوّر إم ستانلي ويتينغهام في مختبرات إكسون خلية قابلة لإعادة الشحن، استخدم فيها مهبطاً من ثنائي كبريتيد التيتانيوم ومصعداً من الليثيوم المعدني. أتاحت البنية الطبقية للمهبط دخول أيونات الليثيوم وخروجها من دون أن تنهار مادته، وهي عملية قابلة للعكس تُعرف باسم «الإقحام» (Intercalation). ولّدت الخلية جهداً يقارب فولتَين، وهو مستوى مرتفع في ذلك الوقت، وأظهرت أن خفة الليثيوم وخصائصه الكهروكيميائية تصلحان لتخزين قدر كبير من الطاقة في حجم صغير. لكنها لم تكن آمنة للاستخدام الواسع، إذ كان الشحن المتكرر قد يُكوّن تفرعات دقيقة من الليثيوم تسبب تماساً داخلياً وحرائق. ومع ذلك، أرست التجربة المبدأ الذي ستبنى عليه بطاريات الليثيوم أيون الحديثة.

في جامعة أكسفورد، استبدل جون بي غوديناف وفريقه ثنائي كبريتيد التيتانيوم بأكسيد الليثيوم والكوبالت. عملت هذه المادة عند جهد أعلى بكثير، فرفعت جهد الخلية إلى نحو أربعة فولتات وزادت كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في الحجم نفسه. والأهم أن المهبط كان يحتوي على الليثيوم من الأصل، ما أتاح لاحقاً الاستغناء عن مصعد الليثيوم المعدني شديد الخطورة واستخدام مادة أكثر أماناً. وفّر هذا الاكتشاف نصف البنية الأساسية التي اعتمدتها أولى بطاريات الليثيوم أيون التجارية، ثم انتشرت في الأجهزة الإلكترونية المحمولة. لكن الكوبالت مرتفع التكلفة، وترتبط بسلاسل توريده تحديات بيئية وأخلاقية، كما يحتاج إلى إدارة حرارية دقيقة، لذلك اتجهت الصناعة لاحقاً إلى تركيبات كيميائية بديلة.

طوّر أكيرا يوشينو خلية تنتقل فيها أيونات الليثيوم بين مهبط من أكسيد الليثيوم والكوبالت ومصعد قائم على الكربون. وبما أن القطبين يخزنان الأيونات داخل بنيتهما، لم تعد الخلية تحتوي أثناء التشغيل الطبيعي على ليثيوم معدني حر، فتراجع خطر التفرعات التي قد تسبب تماساً داخلياً واشتعالاً. وأثبت يوشينو أيضاً أن الخلية تتحمل دورات شحن متكررة، وتظل مستقرة عند تفريغها، ويمكن تصنيعها في شكل عملي. بهذا اكتملت البنية الأساسية لبطارية الليثيوم أيون الحديثة: تتحرك الأيونات عبر الإلكتروليت، بينما تسري الإلكترونات في الدائرة الخارجية لتشغيل الجهاز. ومع ذلك، لا تعتمد السلامة على الكيمياء وحدها؛ بل تحتاج البطارية أيضاً إلى فاصل جيد ونظام إلكتروني لإدارة الشحن ووسائل للتحكم في الحرارة.

حوّلت سوني، بالتعاون مع شركة أساهي كاسي، نتائج الأبحاث إلى منتج تجاري عام 1991. جمعت الخلايا الجديدة بين مهبط من أكسيد الليثيوم والكوبالت ومصعد كربوني، مع فواصل وإلكتروليتات ودوائر حماية تناسب الإنتاج الواسع. وبالمقارنة مع البطاريات القابلة للشحن الشائعة آنذاك، وفّرت بطاريات الليثيوم أيون جهداً أعلى وكثافة طاقة أكبر، ولم تكن تحتاج إلى تفريغ كامل بصورة دورية قبل إعادة الشحن. ظهرت فائدتها أولاً في كاميرات الفيديو، ثم انتقلت إلى الحواسيب المحمولة والكاميرات الرقمية والهواتف. ولم تكن تلك صيغة نهائية ثابتة؛ فقد واصل المصنعون تحسين مواد الكربون والإلكتروليت والفواصل وأنظمة الحماية. ويرجع تفوق التقنية إلى تطور منظومة الخلية كاملة، لا إلى خصائص الليثيوم وحده.

لم تعتمد تسلا رودستر الأولى على خلية عملاقة واحدة، بل جمعت آلاف الخلايا الأسطوانية المشابهة في شكلها لما كان مستخدماً في بطاريات الحواسيب المحمولة. نُظمت الخلايا في وحدات، وتولى نظام إدارة البطارية مراقبة حرارتها ومستوى شحنها، بينما ساعد التبريد السائل والعزل بين المجموعات على الحد من انتقال أي عطل إلى بقية الحزمة. أظهرت السيارة أن تصنيع الخلايا الاستهلاكية الناضج يمكن توسيعه لتشغيل مركبة بمدى مُعلن يقارب 200 ميل وتسارع يليق بسيارة رياضية. كما رسخت فكرة مهمة: حزمة البطارية ليست مجرد صندوق مليء بالخلايا؛ فأداؤها وعمرها وسلامتها تعتمد بدرجة كبيرة على البرمجيات والتبريد والتغليف وإلكترونيات القدرة.

منحت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019 إلى إم ستانلي ويتينغهام وجون بي غوديناف وأكيرا يوشينو تقديراً لتطوير بطاريات الليثيوم أيون. عكست الجائزة طبيعة هذا الإنجاز التراكمية: أثبت ويتينغهام إمكانية إدخال أيونات الليثيوم في مادة مضيفة وإخراجها بصورة عكسية، وطوّر غوديناف مهبطاً أعلى جهداً، ثم قدّم يوشينو بنية عملية أكثر أماناً لا تحتوي على ليثيوم معدني حر. وبحلول ذلك الوقت، كانت التقنية تشغّل الهواتف والحواسيب والسيارات الكهربائية، وتتوسع في تخزين طاقة الشبكات. لكن التكريم لم يعنِ أن التطوير انتهى؛ فما زالت الصناعة تواجه تدهور الخلايا ومخاطر الحريق وتحديات استخراج المعادن وإعادة التدوير وخفض التكلفة والأثر البيئي.

تعامل الاتحاد الأوروبي مع البطارية باعتبارها منتجاً يمتد أثره من استخراج المعادن وتصنيع الخلايا إلى الاستخدام وإعادة الاستخدام والتدوير. وضع التنظيم متطلبات تُطبق على مراحل، تشمل الإفصاح عن البصمة الكربونية، ونسباً للمحتوى المعاد تدويره، وأهدافاً لجمع البطاريات، واستعادة المواد القيّمة، ووضع الملصقات، والتحقق من ممارسات سلاسل التوريد. كما مهّد لإصدار «جواز بطارية» رقمي لبعض الفئات، يسهّل تتبع معلومات المنتج والاستدامة. تعكس هذه القواعد مفارقة أساسية في التحول الكهربائي: قد تخفض البطاريات استهلاك الوقود الأحفوري أثناء التشغيل، لكنها تظل مرتبطة بآثار بيئية واجتماعية عند استخراج المواد وبعد انتهاء عمرها. ولأن المتطلبات تدخل حيز التنفيذ في مواعيد مختلفة، مثّل التنظيم بداية انتقال طويل، لا تغييراً فورياً.