في ظل دفع الهدف العالمي "الكربون المزدوج"، تشهد صناعة الطاقة الجديدة نموًا متسارعًا، حيث أصبحت الخلايا الكهروضوئية وبطاريات الليثيوم من المسارات الأساسية فيها، مما يزيد من صرامة متطلبات أداء المواد. ومن ناحية أخرى، باتت مواد السيليكون العضوي، التي تجمع بين المقاومة العالية للحرارة والطقس والعزل والليونة، تُعتبر تدريجيًا "المادة الحيوية" الداعمة لترقية هاتين الصناعتين بفضل خصائصها المتكاملة الفريدة. فمن ضمان المتانة طويلة الأمد لمكونات الخلايا الكهروضوئية، إلى تعزيز سلامة وكثافة الطاقة في بطاريات الليثيوم، تتوغل مواد السيليكون العضوي بأشكال متنوعة وعميقة، بل وتدفع نحو تحقيق اختراقات في التكنولوجيا الرئيسية. واليوم، سنقوم بتحليل شامل لتطبيقات مواد السيليكون العضوي وابتكاراتها التقنية في مجالات الخلايا الكهروضوئية وبطاريات الليثيوم.
 
أولاً، مجال الطاقة الكهروضوئية: السيليكون العضوي هو الحارس الخفي لطول عمر المكونات وتحسين كفاءتها.
 
عادةً ما يُطلب أن تصل العمر التصميمي للمكونات الكهروضوئية إلى 25-30 عامًا، مع التعرض طويل الأمد للظروف القاسية في الهواء الطلق مثل درجات الحرارة العالية والرطوبة العالية والإشعاع فوق البنفسجي ورياح الرمال، مما يفرض متطلبات عالية جدًا على مقاومة المواد للعوامل الجوية والعزل والختم. وتلعب مواد السيليكون العضوي بفضل استقرارها الممتاز دورًا لا يمكن الاستغناء عنه في العديد من المراحل الأساسية لمكونات الألواح الكهروضوئية، كما أنها تدفع بتقنية الطاقة الشمسية نحو تحقيق كفاءة أعلى.
 
1. مادة الإحكام: الخط الأول من الدفاع لـ "منع تسرب الماء والرطوبة" في المكونات
 
إن الختم بين غطاء الزجاج والإطار الألمنيوم واللوحة الخلفية لمكونات الطاقة الكهروضوئية هو مفتاح منع تسرب بخار الماء وتجنب تآكل الدوائر الداخلية. وعلى الرغم من أن فيلم EVA المستخدم بشكل شائع في البداية منخفض التكلفة، إلا أنه يميل إلى الشيخوخة والتحول إلى اللون الأصفر مع الاستخدام طويل الأمد، مما يؤثر على نفاذية الضوء للوحدة وعمرها الافتراضي؛ أما مادة السيلكون العضوي للاختام (التي تتمثل بشكل رئيسي في مادة السيلكون المانعة للتسرب)، فتستطيع حل هذه المشكلة الشائكة بشكل مثالي:
 
تتميز بمقاومة ممتازة للعوامل الجوية: يمكنها الحفاظ على مرونتها في نطاق درجات حرارة من -50℃ إلى 200℃، وتقاوم التعرض الطويل للأشعة فوق البنفسجية دون أن تصاب بالشيخوخة أو التشقق، مما يضمن أداءً محكمًا لأكثر من 25 عامًا؛
 
خصائص لاصقة ممتازة: تتمتع بالقدرة على الالتصاق بقوة بأنواع عديدة من المواد مثل الزجاج والألمنيوم والألواح الخلفية (TPT/TPE)، ولا تنفصل بسهولة حتى في ظل ظروف الدورات الحرارية المتكررة؛
 
العزل موثوق به: تصل جهد الاختراق إلى أكثر من 20 كيلوفولت/مم، مما يحمي الدوائر الداخلية للمكونات بشكل فعال ويمنع خطر التسرب الكهربائي.
 
حاليًا، تبنّت شركات تصنيع وحدات الطاقة الكهروضوئية الرئيسية (مثل Jinko وLongi) بشكل شائع مادة لاصقة من السيليكون العضوي لتحل محل مواد الختم التقليدية، خاصة في الحالات التي تتطلب أداءً أعلى في خصائص الختم، مثل وحدات الطاقة الكهروضوئية ذات الوجهين ونظام BIPV (تكامل الطاقة الكهروضوئية مع المباني)، حيث تجاوز معدل انتشار مادة لاصقة السيليكون العضوي 90%.
 
2. مادة التعبئة والغرس: "الحاجز الآمن" بين العاكس وصندوق التوصيلات
 
إن محول الطاقة الكهروضوئية هو الجهاز الأساسي الذي يحول التيار المستمر إلى تيار متردد، ويحتوي في داخله على عدد كبير من المكونات الإلكترونية؛ أما صندوق التوصيلات فهو مسؤول عن تجميع التيار الناتج عن المكونات، وكلاهما يواجه تحديات العزل والتبريد في ظل درجات حرارة مرتفعة وبيئات رطبة. وتوفّر مادة سيليكون عازلة مصبوبة بشكل يشبه "اللفافة" حماية شاملة للمكونات الإلكترونية:
 
عزل حراري وممتاز في التوصيل الحراري: يمكن أن تصل الموصلية الحرارية لبعض مركبات السيليكون العضوية المعدلة إلى 0.8-1.5 واط/(متر・كلفن)، مما يتيح تصريف الحرارة الناتجة عن عمل المكونات بسرعة (مثل وحدات IGBT)، وفي نفس الوقت يمنع دخول بخار الماء والغبار، ما يتجنب حدوث قصر الدائرة الكهربائية.
 
التوافق المرن: يظل مرنًا بدرجة معينة بعد التقسية، مما يساعد على تخفيف إجهاد التمدد والانكماش الحراري الناتج عن تغيرات درجة الحرارة في المكونات الإلكترونية، ويقلل من حالات انفصال اللحام وتكسير الدوائر وغيرها من الأعطال.
 
على سبيل المثال، في المحولات المركزية، أصبحت مادة السيليكون العضوي المُغلفة بمثابة المادة الواقية القياسية للمكونات الرئيسية مثل وحدات IGBT والمكثفات، مما أدى إلى خفض معدل الأعطال في المحول بأكثر من 30% وإطالة عمره التشغيلي إلى أكثر من 15 عامًا.
 
3. الاختراق التقني: دعم الإنتاج الضخم لخلايا الطاقة الشمسية الفعالة
 
مع ترقية تقنيات الخلايا الكهروضوئية نحو طرق خلايا عالية الكفاءة مثل TOPCon (الاتصالات المخفية بطبقة أكسيد النفق) وHJT (الوصلات المتغايرة)، برزت متطلبات جديدة لأداء المواد الدقيق، كما حققت مواد السيليكون العضوي بالتزامن مع ذلك اختراقات تقنية:
 
الطلاءات السيليكونية ذات الانبعاثات العضوية المتطايرة المنخفضة: في عملية إعداد الأغشية الموصلة الشفافة (TCO) لخلايا HJT، تميل الطلاءات التقليدية إلى إنتاج شوائب متطايرة تؤثر سلبًا على فعالية تخميل الخلايا؛ أما الطلاءات السيليكونية منخفضة الانبعاثات العضوية المتطايرة (VOC) فتقلل من إطلاق هذه الشوائب، مما يعزز كفاءة تحويل خلايا HJT بمقدار 0.3 إلى 0.5 نقطة مئوية.
 
غشاء السيليكون العضوي المقاوم للحرارة العالية: يتطلب إعداد خلايا TOPCon عملية تشويب بدرجات حرارة مرتفعة (أكثر من 300 درجة مئوية)، وهو ما يصعب على غشاء EVA التقليدي تحمله؛ في حين يمكن لغشاء السيليكون العضوي المقاوم للحرارة العالية أن يظل مستقرًا حتى عند درجة 350 درجة مئوية، مع تحقيق معدل نفاذية للضوء يتجاوز 94%، مما جعله مادة مساندة حيوية لمكونات TOPCon.
 
ثانيًا، مجال بطاريات الليثيوم: السيليكون العضوي يضمن "الأمان" و"السعة العالية" للبطاريات
 
تعد بطاريات الليثيوم مصدر الطاقة الأساسي للسيارات ذات الطاقة الجديدة وأنظمة تخزين الطاقة، وتُعتبر سلامتها (الحماية من الانهيار الحراري) وكثافة طاقتها (قدرة المدى) محور التركيز الرئيسي في المنافسة الصناعية. ومن خلال التطبيقات المبتكرة لمادة السيليكون العضوي في مراحل مثل الأقطاب الكهربائية والحلول الإلكتروليتية وهياكل البطاريات، يمكن تحسين أداء السلامة للبطارية، بالإضافة إلى المساعدة في تجاوز حدود كثافة الطاقة، مما يجعلها دافعًا رئيسيًا لتطوير صناعة بطاريات الليثيوم.
 
1. تعديل الأقطاب: تحسين السعة وعمر الدورة
 
تُحدد أداء الأقطاب الكهربائية (القطب الموجب والقطب السالب) في بطاريات الليثيوم بشكل مباشر كثافة الطاقة واستقرار الدورة للبطارية. تعاني مواد الأقطاب التقليدية (مثل القطب الموجب الثلاثي والموجب الجرافيت) من مشكلات مثل التوصيل الكهربائي الضعيف والتمدد الحجمي (كما هو الحال مع الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون)، بينما يمكن لمُحسّنات السيليكون العضوي تحسين هذه العيوب بشكل فعال:
 
تغليف سطح القطب الموجب: يُمكن لطبقة رقيقة من غشاء السيليكون العضوي بحجم النانو التي تُطبق على سطح مادة القطب الموجب الثلاثية (مثل NCM811) أن تقلل من التفاعلات الجانبية بين القطب الموجب والسائل الإلكتروليتي، وتمنع ذوبان أيونات المعادن الانتقالية، مما يؤدي إلى زيادة عمر دورة البطارية بأكثر من 50% (من 1000 دورة إلى أكثر من 1500 دورة)، وفي الوقت نفسه يقلل من خطر الانهيار الحراري.
 
الربط اللاصق للقطب السالب القائم على السيليكون: تبلغ السعة النظرية للقطب السالب القائم على السيليكون أكثر من 10 أضعاف سعة القطب السالب المصنوع من الجرافيت، لكن معدل تمدد الحجم خلال عمليات الشحن والتفريغ يصل إلى 300%، مما يؤدي بسهولة إلى تفتت وتساقط الأقطاب. ومن خلال استخدام مادة لاصقة مرنة من السيليكون العضوي (مثل الراتنج المعدل بالسيليكان)، يمكن تخفيف إجهاد تمدد الحجم عن طريق التشوه المرن، مما يرفع كفاءة الشحن والتفريغ الأولية للقطب السالب القائم على السيليكون إلى أكثر من 90%، مع الحفاظ على أكثر من 80% من السعة بعد 500 دورة شحن وتفريغ.
 
حاليًا، قامت شركات رائدة في مجال بطاريات الليثيوم مثل نينغدي تايم وبويدي بتطبيق تقنية الأقطاب الكهربائية المعدلة بالسيليكون العضوي في البطاريات عالية السعة، مما ساهم في زيادة كثافة طاقة بطاريات الطاقة إلى أكثر من 300 واط/كجم من 200 واط/كجم، لتلبية احتياجات السيارات الكهربائية الجديدة التي توفر مدى يزيد عن 600 كيلومتر.
 
2. مضافات الإلكتروليت: تثبيط الانهيار الحراري وتعزيز السلامة
 
الإلكتروليت هو «الجسر» لنقل الأيونات في بطاريات الليثيوم، لكن الإلكتروليتات التقليدية (نظام الكربونات) تتحلل بسهولة عند درجات الحرارة العالية، مما ينتج غازات قابلة للاشتعال (مثل CO وCH4)، ما يجعلها سببًا رئيسيًا للانهيار الحراري. إن إضافة مضافات الإلكتروليتات السيليكونية العضوية (مثل مشتقات السيلوكسان والسيلانات) يمكن أن تعزز أمان الإلكتروليت من الجذر:
 
استقرار درجات الحرارة العالية: تحتوي البنية الجزيئية لمضافات السيليكون العضوي على روابط Si-O، التي تتمتع بطاقة رابطة تصل إلى 452 كيلوجول/مول (أعلى بكثير من طاقة رابطة C-C البالغة 347 كيلوجول/مول)، ولا تتفكك بسهولة حتى عند درجات حرارة تزيد عن 150 درجة مئوية، مما يساعد في تقليل إنتاج الغاز في الإلكتروليت عند درجات الحرارة العالية؛
 
تشكيل غشاء SEI مستقر: يمكن لمُضافات السيليكون العضوي أن تتحلل بشكل أولي على سطح القطب، مما يؤدي إلى تكوين طبقة كثيفة ومستقرة من غشاء واجهة الإلكتروليت الصلب (غشاء SEI)، يمنع المزيد من التفاعل بين الإلكتروليت والقطب، وفي الوقت نفسه يعزز كفاءة توصيل الأيونات.
 
تُظهر البيانات التجريبية أن الإلكتروليت المضاف إليه 5% من مادة السيليكون العضوي يمكنه رفع درجة حرارة الانهيار الحراري لبطارية الليثيوم من 180℃ إلى أكثر من 230℃، كما يقلل احتمال اشتعال البطارية بأكثر من 60% في اختبارات الاستخدام الخاطئ مثل الوخز والضغط.
 
3. إحكام غلاف البطارية والتوصيل الحراري: متوافق مع الشحن السريع وسيناريوهات الطاقة العالية
 
مع انتشار تقنيات الشحن السريع للسيارات الكهربائية الجديدة (مثل المنصة عالية الجهد بجهد 800 فولت)، تنتج بطاريات الليثيوم كمية كبيرة من الحرارة أثناء عملية الشحن السريع، وفي الوقت نفسه، تؤثر خصائص إحكام غلاف البطارية بشكل مباشر على مخاطر تسرب الإلكتروليت. ويلعب مادة السيليكون العضوي في هذا السياق دورين متكاملين: "التوصيل الحراري" و"الإحكام".
 
ورقة عازلة حرارية من السيليكون العضوي: تُوضع بين وحدة البطارية والغلاف الخارجي، وتصل موصليةها الحرارية إلى 2-5 واط/(متر・كلفن)، مما يساعد على تصريف الحرارة الناتجة عن الشحن السريع بسرعة، ويحافظ على درجة حرارة البطارية دون 45 درجة مئوية، لتجنب التأثيرات السلبية للحرارة العالية على أداء البطارية.
 
حلقة الختم المصنوعة من السيليكون العضوي: تُستخدم لختم الوصلات في غلاف البطارية، وتعمل على تحمل تغيرات درجات الحرارة من -40℃ إلى 120℃، كما أنها تتميز بمقاومة تآكل الإلكتروليت (حيث تتعرض حلقات الختم المطاطية التقليدية للانتفاخ بسبب الإلكتروليت)، مما يضمن عدم حدوث تسرب للإلكتروليت طوال عمر البطارية.
 
على سبيل المثال، في السيارات الكهربائية ذات الجهد العالي 800 فولت لشركات مثل Xiaopeng وLi Auto وغيرها، تم اعتماد وسادات عازلة حرارية من السيليكون العضوي وحلقات إحكام بشكل كامل، مما أدى إلى تقليل وقت الشحن السريع من أكثر من ساعة إلى أقل من 30 دقيقة (لشحن البطارية حتى 80% من سعتها)، مع ضمان سلامة البطارية في الوقت نفسه.
 
ثالثًا، اتجاهات التقدم التقني لمواد السيليكون العضوي في مجال الطاقة الجديدة
 
مع التطور المستمر لتقنيات الطاقة الكهروضوئية وتخزين الطاقة بالليثيوم، تواصل مواد السيليكون العضوي الابتكار أيضًا، مظهرةً بشكل رئيسي ثلاثة اتجاهات رئيسية للتقدم التقني، مما يسهم في استكشاف إمكاناتها التطبيقية بشكل أكبر:
 
1. تقنية تعديلية منخفضة الفقدان وعالية التوصيل الحراري
 
في مجال الطاقة الكهروضوئية: بالاعتماد على الاتجاه نحو الترددات العالية في محولات الطاقة الكهروضوئية، تم تطوير مادة لاصقة سيليكونية عضوية ذات فقدان عازل منخفض (tanδ < 0.001)، مما يقلل من فقدان الطاقة أثناء نقل الإشارات عالية التردد ويعزز كفاءة المحول.
 
في مجال بطاريات الليثيوم: تطوير مواد مركبة من السيليكون العضوي ذات توصيل حراري عالٍ (معامل التوصيل الحراري > 5 واط/(متر・كلفن))، وذلك بإضافة حشوات توصيل حرارية مثل الجرافين ونتريد الألومنيوم، مما يعزز بشكل أكبر قدرة البطارية على تبديد الحرارة، ليتماشى مع تقنيات الشحن الفائق المستقبلية بسرعة 4C و5C.
 
2. الابتكار في العمليات الصديقة للبيئة ومنخفضة التكلفة
 
السيليكون العضوي القائم على الموارد الحيوية: استخدام الزيوت النباتية (مثل زيت الخروع) لتحلية مونومرات السيليكون بدلاً من المواد الأولية التقليدية للبتروكيماويات، مما يقلل الاعتماد على الموارد الأحفورية، وفي الوقت نفسه يخفض انبعاثات الكربون خلال عملية الإنتاج (بنسبة تزيد عن 20% مقارنة بالطرق التقليدية)؛
 
تقنية التشكيل المتكامل: تطوير تقنية التشكيل المتكامل لغراء مانع للتسرب من السيليكون العضوي والأغشية اللاصقة، مما يبسط عملية إنتاج الوحدات الكهروضوئية والبطاريات الليثيومية ويقلل من تكاليف التصنيع للشركات (على سبيل المثال، يمكن خفض تكلفة تغليف الوحدات الكهروضوئية بنسبة 15%).
 
3. التصميم المتكامل للوظائف
 
سيناريو الطاقة الكهروضوئية + BIPV: تطوير مواد سيليكون عضوية ملونة تجمع بين خصائص الختم واللصق والزخرفة، لتتناسب مع المتطلبات الجمالية لمباني BIPV، مع الحفاظ في الوقت نفسه على متانة فائقة ضد العوامل الجوية؛
 
اتجاه تحويل بطاريات الليثيوم إلى الحالة الصلبة: فيما يتعلق بتطوير بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة، تم ابتكار إلكتروليت صلب قائم على السيليكون العضوي، يتميز بموصلية أيونية عالية (>10⁻³ سيميسنسي/سم) ومرونة جيدة، مما يحل مشكلتي الهشاشة العالية ومقاومة التفاعل المرتفعة التي تواجه الإلكتروليتات الصلبة التقليدية مثل الأكاسيد.
 
رابعًا: التوقعات المستقبلية: ستكون مواد السيليكون العضوي مرتبطة بشكل وثيق بتحديث صناعة الطاقة الجديدة.
 
مع التوسع المتسارع لصناعة الطاقة الجديدة عالميًا (من المتوقع أن يتجاوز حجم القدرة المركبة العالمية للطاقة الكهروضوئية 1 تيرابايت بحلول عام 2030، وأن تتجاوز طلبات بطاريات الليثيوم 2 تيراواط ساعة)، سيستمر الطلب في السوق على مواد السيليكون العضوي في النمو أيضًا. ووفقًا لتوقعات بيانات الصناعة، سيتجاوز حجم سوق مواد السيليكون العضوي في قطاع الطاقة الجديدة 20 مليار يوان بحلول عام 2025، مع استمرار معدل النمو السنوي المركب عند مستوى يفوق 15%.
 
من الناحية التقنية، لن تقتصر مواد السيليكون العضوي على دور "الحماية المساعدة" بعد الآن، بل ستتطور نحو تمكين الأداء — على سبيل المثال، في مجال الطاقة الكهروضوئية لتعزيز استقرار خلايا البيروفسكيت، وفي مجال بطاريات الليثيوم لدفع عملية إنتاج البطاريات الصلبة وتطبيقها عمليًا. وفي الوقت نفسه، ومع تشديد سياسات الحماية البيئية، ستصبح المواد السيليكونية العضوية الخضراء ومنخفضة محتوى المركبات العضوية المتطايرة والقابلة لإعادة التدوير هي القاعدة السائدة في الصناعة، مما يعزز بشكل أكبر "التحول المنخفض الكربون طوال دورة الحياة" في صناعة الطاقة الجديدة.
 
يمكن القول إن اندماج مواد السيليكون العضوي مع صناعات الطاقة الكهروضوئية وبطاريات الليثيوم ليس فقط "مطابقة دقيقة" لخصائص المواد نفسها، بل أيضًا "خيار حتمي" لترقية تقنيات الطاقة الجديدة. وفي المستقبل، ومع الترابط العميق بين هذين المجالين، سنشهد منتجات طاقة جديدة أكثر كفاءة وأمانًا وصديقة للبيئة تدخل حياتنا اليومية، مما يوفر دعمًا ماديًا متينًا لتحقيق أهداف "الكربون المزدوج" العالمية.