من هو مخترع بطاريات الليثيوم؟ نهاية كذبة رشيد اليزمي

في السنوات الأخيرة نشرت وسائل الإعلام المغربية وحتى العربية مثل الجزيرة القطرية تقارير ومقالات تزعم أن العالم المغربي رشيد اليزمي هو مخترع بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن.

أصبح الرجل ملقبا في الوطن العربي بأبو بطاريات الليثيوم، وقد احتفى به المغاربة والعرب الذين يبحثون عن أي انجاز لهم في المجال العلمي حيث المساهمة لهذه الشعوب ضئيلة للغاية.

في هذا الصدد نشرت مجلة IEEE Spectrum تقريرا نترجمه (المرجع في نهاية المقالة) بعنوان: من هو مخترع بطارية الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن؟ وذلك بتاريخ 10 يوليو 2023.

مخترع بطارية الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن

بعد خمسين عامًا من ظهور بطارية الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن، بات من السهل إدراك قيمتها. فهي تُستخدم في مليارات أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة والأدوات الكهربائية والسيارات، وتتجاوز مبيعاتها العالمية 45 مليار دولار أمريكي سنويًا، ومن المتوقع أن تتجاوز 100 مليار دولار في العقد المقبل.

ومع ذلك، استغرق هذا الاختراع التحويلي ما يقرب من عقدين من الزمن ليخرج من المختبر، حيث درست العديد من الشركات في الولايات المتحدة وأوروبا وآسيا هذه التقنية، لكنها لم تدرك إمكاناتها.

لم يحقق الإصدار الأول، الذي طوره م. ستانلي ويتينغهام في شركة إكسون عام 1972، نجاحًا يُذكر فقد صُنعت بكميات صغيرة من قبل إكسون، وظهرت في معرض للسيارات الكهربائية في شيكاغو عام 1977، واستُخدمت لفترة وجيزة كبطارية خلوية صغيرة، لكن إكسون تخلت عنها بعد ذلك.

وشارك العديد من العلماء حول العالم في جهود البحث، ولكن لمدة 15 عامًا تقريبًا، ظل النجاح بعيد المنال. لم يكن الأمر كذلك إلا بعد أن وقع التطوير على الشركة المناسبة في الوقت المناسب، حيث بدأت الشركة أخيرًا في السير على طريق الهيمنة على عالم البطاريات.

هل اخترعت شركة إكسون بطارية الليثيوم القابلة لإعادة الشحن؟

في أوائل سبعينيات القرن الماضي، توقع علماء شركة إكسون أن يبلغ إنتاج النفط العالمي ذروته في عام 2000 ثم يتراجع تدريجيًا، وشُجِّع باحثو الشركة على البحث عن بدائل للنفط، والسعي إلى أي نوع من الطاقة لا يتضمن البترول.

انضم ويتينغهام، الكيميائي البريطاني الشاب، إلى هذا المشروع في مركز إكسون للأبحاث والهندسة في نيوجيرسي في خريف عام 1972، وبحلول عيد الميلاد، كان قد طوّر بطارية بمهبط ثنائي كبريتيد التيتانيوم وإلكتروليت سائل يستخدم أيونات الليثيوم.

كانت بطارية ويتينغهام مختلفة عن أي بطارية سبقتها، كانت تعمل عن طريق إدخال الأيونات في الشبكة الذرية لمادة القطب المضيف وهي عملية تُسمى التداخل.

كما كان أداء البطارية غير مسبوق: فهي قابلة لإعادة الشحن وعالية جدًا في إنتاج الطاقة، حتى ذلك الوقت، كانت أفضل بطارية قابلة لإعادة الشحن هي بطارية النيكل والكادميوم، والتي كانت تُنتج جهدًا أقصى يبلغ 1.3 فولت، في المقابل، أنتجت كيمياء ويتينغهام الجديدة جهدًا كهربائيًا مذهلًا بلغ 2.4 فولت.

في شتاء عام 1973، استدعى مديرو الشركة ويتينغهام إلى مكاتب الشركة في مدينة نيويورك للمثول أمام لجنة فرعية تابعة لمجلس إدارة إكسون.

قال لي ويتينغهام في يناير 2020: “ذهبتُ إلى هناك وشرحتُ الأمر 5 دقائق، 10 دقائق على الأكثر، وفي غضون أسبوع، وافقوا على الاستثمار في هذا المشروع”.

بدا الأمر وكأنه بداية لشيء كبير، نشر ويتينغهام بحثًا في مجلة ساينس؛ وبدأت إكسون في تصنيع بطاريات الليثيوم الخلوية الصغيرة، واستخدمت شركة إيبوش السويسرية لتصنيع الساعات هذه الخلايا في ساعة يد تعمل بالطاقة الشمسية.

ولكن بحلول أواخر سبعينيات القرن الماضي، تضاءل اهتمام إكسون ببدائل النفط، علاوة على ذلك، اعتقد المسؤولون التنفيذيون في الشركة أن فكرة ويتينغهام لن تحقق نجاحًا واسع النطاق على الأرجح، لذا، نبذوا فكرة ثاني كبريتيد الليثيوم والتيتانيوم، ومنحوا ترخيص هذه التقنية لثلاث شركات بطاريات واحدة في آسيا، وأخرى في أوروبا، وثالثة في الولايات المتحدة.

قال ويتينغهام: “فهمتُ المبرر وراء ذلك، لم يكن السوق كبيرًا بما يكفي، كان اختراعنا مبكرًا جدًا”.

مساهمة خريج جامعة أكسفورد في تطوير بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن

كانت هذه أولى البدايات الفاشلة العديدة لبطارية الليثيوم القابلة لإعادة الشحن، كان جون ب. جوديناف من جامعة أكسفورد هو العالم التالي الذي حمل الراية.

كان جوديناف مُلِمًّا بعمل ويتينغهام، ويعود ذلك جزئيًا إلى حصوله على درجة الدكتوراه من أكسفورد، لكن ورقة بحثية نُشرت عام 1978 لويتينغهام بعنوان “كيمياء مركبات التداخل: ضيوف معدنيون في مُضيفات الكالكوجينيد” هي التي أقنعت جوديناف بأن الليثيوم هو الركيزة الأساسية لأبحاث البطاريات. [توفي جوديناف في 25 يونيو عن عمر يناهز 100 عام].

بدأ جودإنوف وزميله الباحث كويتشي ميزوشيما البحث في بطاريات الليثيوم المتداخلة، وبحلول عام 1980، حسّنا تصميم ويتينغهام، مستبدلين ثاني كبريتيد التيتانيوم بأكسيد كوبالت الليثيوم، رفعت هذه التركيبة الكيميائية الجديدة جهد البطارية بمقدار الثلثين، ليصل إلى 4 فولت.

وكتب جودإنوف إلى شركات البطاريات في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وأوروبا القارية أملاً في إيجاد شريك مؤسسي، كما ذكر في مذكراته الصادرة عام 2008 بعنوان “شاهد على النعمة”، لكنه لم يجد من يتقبله.

كما طلب من جامعة أكسفورد تمويل براءة اختراع، لكن أكسفورد رفضت، ومثل العديد من جامعات ذلك الوقت، لم تهتم الجامعة بالملكية الفكرية، معتقدةً أن هذه الأمور حكرٌ على المجال التجاري.

مع ذلك، كان غوديناف واثقًا من كيمياء بطاريته، زار مؤسسة أبحاث الطاقة الذرية (AERE)، وهي مختبر حكومي في هارويل، على بُعد حوالي 20 كيلومترًا من أكسفورد.

وافق المختبر على تمويل براءة الاختراع، ولكن بشرط أن يتنازل العالم البالغ من العمر 59 عامًا عن حقوقه المالية، امتثل غوديناف، حصل المختبر على براءة اختراعها عام 1981؛ ولم يحصل غوديناف على أي فلس من أرباح البطارية الأصلية.

بالنسبة لمختبر AERE، كان من المفترض أن يكون هذا بمثابة ربح غير متوقع، لم يقم المختبر بأي من الأبحاث، ومع ذلك امتلك الآن براءة اختراع ستُصبح ذات قيمة فلكية، لكن مديري المختبر لم يتوقعوا ذلك، فحفظوها ونسوا أمرها.

شركة أساهي الكيميائية تُقدم أداءً مميزًا

كان أكيرا يوشينو، الكيميائي البالغ من العمر 34 عامًا في شركة أساهي الكيميائية باليابان، رائدًا جديدًا في مجال بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن.

بدأ يوشينو، بشكل مستقل، البحث عن استخدام قطب بلاستيكي موجب – مصنوع من بولي أسيتيلين موصل للكهرباء – في بطارية، وكان يبحث عن قطب سفلي لربطه به.

أثناء تنظيف مكتبه في آخر يوم من عام 1982، عثر على ورقة بحثية تقنية نُشرت عام 1980 وشارك في تأليفها غوديناف، كما ذكر يوشينو في سيرته الذاتية “بطاريات الليثيوم أيون تفتح باب المستقبل: قصص خفية للمخترع”.

وصفت الورقة البحثية – التي طلبها يوشينو ولكنه لم يقرأها – قطب سفلي من أكسيد الليثيوم والكوبالت، فهل يمكن أن يعمل مع قطبه البلاستيكي؟

قام يوشينو، مع فريق صغير من زملائه، بربط قطب سفلي غوديناف مع القطب الموجب البلاستيكي، حاولوا أيضًا دمج الكاثود مع مجموعة متنوعة من مواد الأنود الأخرى، المصنوعة غالبًا من أنواع مختلفة من الكربون، في النهاية، استقر هو وزملاؤه على أنود كربوني مصنوع من فحم الكوك البترولي.

تبيّن أن اختيار فحم الكوك البترولي كان خطوةً كبيرةً إلى الأمام، فقد استخدم ويتينغهام وجوديناف أقطابًا موجبة مصنوعة من الليثيوم المعدني، وهو متطاير بل وخطير، وبالانتقال إلى الكربون، ابتكر يوشينو وزملاؤه بطاريةً أكثر أمانًا بكثير.

مع ذلك، كانت هناك مشاكل أولًا، كانت شركة أساهي كيميكال شركةً كيميائية، وليست شركةً لتصنيع البطاريات، لم يكن أحدٌ في أساهي كيميكال يعرف كيفية بناء بطاريات الإنتاج على نطاق تجاري، ولم تكن الشركة تمتلك معدات الطلاء أو اللف اللازمة لتصنيع البطاريات، ببساطة، بنى الباحثون نموذجًا أوليًا مختبريًا بدائيًا.

ثم يأتي دور إيساو كوريباياشي، وهو مسؤولٌ تنفيذيٌّ في شركة أساهي كيميكال للأبحاث، وكان جزءًا من الفريق الذي صنع البطارية.

في كتابه “بطارية مجهولة بقصص لا تُروى”، روى كوريباياشي كيف بحث هو وزميلٌ له عن مستشارين في الولايات المتحدة يمكنهم المساعدة في تصنيع البطارية، أوصى أحد المستشارين بشركة “هندسة البطاريات”، وهي شركة صغيرة مقرها في مرآب شاحنات مُحوّل في منطقة هايد بارك في بوسطن.

كانت الشركة تُدار من قِبل مجموعة صغيرة من العلماء الحاصلين على درجة الدكتوراه، والذين كانوا خبراء في بناء بطاريات غير عادية، وقد بنوا بطارياتٍ لمجموعةٍ من الاستخدامات، بما في ذلك الطائرات المقاتلة، وصوامع الصواريخ، ومنصات الحفر.

لذا، سافر كوريباياشي وزميله إلى بوسطن في يونيو/حزيران 1986، وحضرا إلى شركة هندسة البطاريات دون سابق إنذار، حاملين ثلاثة أوعية من الملاط – إحداها تحتوي على الكاثود، والأخرى على الأنود، والثالثة على الإلكتروليت.

طلبا من المؤسس المشارك للشركة، نيكولا مارينتشيك، تحويل الملاط إلى خلايا أسطوانية، كتلك التي قد يشتريها المرء لمصباح يدوي.

واشترط كوريباياشي وزميله أيضًا ألا يخبر مارينتشيك أحدًا عن بطاريتهما، حتى موظفو مارينتشيك لم يعلموا حتى عام 2020 أنهم شاركوا في بناء أول خلايا ليثيوم أيون في العالم في مرحلة ما قبل الإنتاج.

طلب مارينتشيك 30 ألف دولار (ما يعادل 83 ألف دولار بأسعار اليوم) لتصنيع دفعة من البطاريات، بعد أسبوعين، غادر كوريباياشي وزميله إلى اليابان حاملين صندوقًا يحتوي على 200 خلية من الحجم C.

ومع ذلك، حتى مع وجود بطاريات عاملة في متناول اليد، لا يزال كوريباياشي يواجه مقاومة من مديري شركة أساهي للكيماويات، الذين ظلوا يخشون الانتقال إلى مشروع غير معروف.

سوني أول من أنتج بطاريات الليثيوم

لم يكن كوريباياشي مستعدًا للاستسلام، في 21 يناير 1987، زار قسم كاميرات الفيديو في سوني لتقديم عرض تقديمي حول بطارية أساهي الكيميائية الجديدة، أخذ إحدى خلايا C ودحرجها على طاولة قاعة الاجتماعات إلى مضيفيه.

لم يُقدم كوريباياشي تفاصيل إضافية في كتابه، بل اكتفى بالقول إنه بزيارة سوني، كان يأمل في “التأكد من تقنية البطاريات”.

إلا أن سوني لم تكتفِ “بالتأكيد”. ففي ذلك الوقت، كانت سوني تفكر في تطوير بطارية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن، وفقًا لتاريخها المؤسسي.

عندما رأى المسؤولون التنفيذيون في الشركة بطارية أساهي، أدركوا قيمتها الهائلة، ولأن سوني كانت شركة مصنعة للإلكترونيات الاستهلاكية والبطاريات في آن واحد، فقد فهم فريق إدارتها أهمية البطارية من منظور العميل والمورد.

وكان التوقيت مثاليًا. كان مهندسو سوني يعملون على كاميرا فيديو جديدة، عُرفت لاحقًا باسم Handycam، وكان هذا المنتج بحاجة ماسة إلى بطارية أصغر وأخف وزنًا، بالنسبة لهم، بدت البطارية التي قدمها كوريباياشي وكأنها هدية من السماء.

تبع ذلك عدة اجتماعات، سُمح لبعض علماء سوني بدخول مختبرات أساهي، والعكس صحيح، وفقًا لكوريباياشي، في النهاية، اقترحت سوني شراكة.. رفضت أساهي كيميكال عرض الشركة اليابانية.

وهنا، تكتنف الغموض قصة رحلة بطارية الليثيوم أيون نحو التسويق التجاري، واصل باحثو سوني العمل على تطوير بطاريات ليثيوم قابلة لإعادة الشحن، مستخدمين كيمياءً ادّعى تاريخ شركة سوني لاحقًا أنها طُوّرت داخليًا.

لكن بطارية سوني استخدمت نفس الكيمياء الأساسية التي استخدمتها أساهي كيميكال، كان الكاثود عبارة عن أكسيد الليثيوم والكوبالت؛ وكان الأنود عبارة عن فحم البترول؛ وكان الإلكتروليت السائل يحتوي على أيونات الليثيوم.

من الواضح أنه على مدار العامين التاليين، من عام 1987 إلى عام 1989، بذل مهندسو سوني جهدًا كبيرًا لتحويل نموذج أولي بدائي إلى منتج. بقيادة مهندس البطاريات يوشيو نيشي، عمل فريق سوني مع الموردين لتطوير مواد رابطة، وإلكتروليتات، وفواصل، ومواد مضافة.

كما طوروا عمليات داخلية للمعالجة الحرارية للأنود ولصنع مسحوق الكاثود بكميات كبيرة، ويستحقون الثناء على ابتكارهم منتجًا تجاريًا حقيقيًا.

لم يبقَ سوى خطوة واحدة. ففي عام 1989، اتصل أحد المسؤولين التنفيذيين في سوني بمؤسسة أبحاث الطاقة الذرية في هارويل، إنجلترا، وسأل عن إحدى براءات اختراع المختبر التي ظلت طي الكتمان لثماني سنوات وهي كاثود غوديناف، فأجاب بأن سوني مهتمة بترخيص هذه التقنية.

في حيرة من أمر العلماء والمسؤولين التنفيذيين في مختبر هارويل، لم يتمكنوا من تخيل سبب اهتمام أي شخص ببراءة اختراع “خلية كهروكيميائية بموصلات أيونية سريعة جديدة”.

أخبرني بيل ماكلين، عالم في AERE آنذاك: “لم يكن واضحًا شكل السوق أو حجمه”، حتى أن بعض العلماء الأكبر سنًا تساءلوا بصوت عالٍ عما إذا كان من المناسب لمختبر ذري في إنجلترا مشاركة أسراره مع شركة في اليابان، خصم سابق في الحرب العالمية الثانية، ولكن في النهاية، تم التوصل إلى اتفاق.

سوني تُكمل مسيرتها الناجحة

طرحت سوني البطارية عام 1991، وأعطتها الاسم الشائع الآن “ليثيوم أيون”، وسرعان ما بدأت تشق طريقها إلى كاميرات الفيديو، ثم الهواتف المحمولة.

بحلول ذلك الوقت، كان قد مرّ 19 عامًا على اختراع ويتينغهام، أتيحت الفرصة للعديد من الجهات لتطوير هذه التقنية، لكنها رفضتها.

أولًا، كانت شركة إكسون، التي لم يخطر ببال مديريها التنفيذيين أن بطاريات أيون الليثيوم ستُمكّن السيارات الكهربائية من منافسة النفط بقوة.

ادّعى بعض المراقبين لاحقًا أن إكسون، بتخليها عن هذه التقنية، قد تآمرت لقمع منافس للنفط، لكن إكسون رخّصت هذه التقنية لثلاث شركات أخرى، ولم تنجح أي منها في استخدامها.

ثم كانت هناك جامعة أكسفورد، التي رفضت دفع ثمن براءة اختراع.

وأخيرًا، كانت هناك شركة أساهي للكيماويات، التي واجه مديروها التنفيذيون صعوبة في اتخاذ قرار دخول سوق البطاريات. (دخلت شركة أساهي أخيرًا إلى هذا المجال عام 1993، بتعاونها مع توشيبا لتصنيع بطاريات أيونات الليثيوم).

استفادت كلٌّ من سوني وشركة AERE، وهما الجهتان الأكثر ربحًا من البطارية، من الحظ، لم تدفع مؤسسة أبحاث الطاقة الذرية سوى الرسوم القانونية لما اتضح أنه براءة اختراع قيّمة، واضطرت لاحقًا إلى تذكير نفسها بأنها تملكها أصلًا.

أرباح شركة AERE من براءة اختراعها غير معروفة، لكن معظم المراقبين يتفقون على أنها جنت ما لا يقل عن 50 مليون دولار، وربما أكثر من 100 مليون دولار، قبل انتهاء صلاحية البراءة.

في غضون ذلك، حظيت سوني بتلك الزيارة الموفقة من كوريباياشي، رئيس شركة أساهي للكيماويات، مما وضع الشركة على طريق التسويق التجاري.

باعت سوني عشرات الملايين من الخلايا، ثم منحت تراخيص فرعية لبراءة اختراع AERE لأكثر من عشرين شركة آسيوية أخرى لتصنيع البطاريات، مما حقق لها أرباحًا إضافية بالمليارات. (في عام 2016، باعت سوني قطاع البطاريات الخاص بها لشركة موراتا للتصنيع مقابل 17.5 مليار ين، أي ما يعادل حوالي 126 مليون دولار أمريكي اليوم).

لم يحصل أيٌّ من الباحثين الأصليين – ويتينغهام وجوديناف ويوشينو – على حصة من هذه الأرباح، مع ذلك، تقاسم الثلاثة جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019، ولم يُدرج يوشيو نيشي، رئيس شركة سوني، والذي كان متقاعدًا آنذاك، ضمن قائمة الفائزين بجائزة نوبل، وهو قرار انتقده في مؤتمر صحفي، وفقًا لصحيفة ماينيتشي شيمبون.

بالنظر إلى الماضي، يبدو تاريخ أيونات الليثيوم المبكر الآن أشبه بقصة عالمين، كان هناك عالم علمي وعالم أعمال، ونادرًا ما تداخلا.

عمل الكيميائيون والفيزيائيون وعلماء المواد بهدوء، متشاركين إنجازاتهم في المنشورات التقنية وعلى أجهزة العرض في المؤتمرات.

في الوقت نفسه، لم يتطلع العالم التجاري إلى علماء الجامعات بحثًا عن إنجازات، وفشل في رصد إمكانات هذه الكيمياء الجديدة للبطاريات، حتى تلك التطورات التي حققها باحثوه.

لولا سوني، لربما تأخرت بطارية الليثيوم القابلة لإعادة الشحن لسنوات عديدة أخرى، من شبه المؤكد أن الشركة نجحت لأن ظروفها الخاصة هيأتها لفهم وتقدير نموذج كوريباياشي الأولي.

كانت سوني تعمل بالفعل في مجال البطاريات، وكانت بحاجة إلى بطارية أفضل لكاميرا الفيديو الجديدة، وكانت تدرس تطوير بطارية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن خاصة بها.

كان مهندسو سوني ومديروها يعرفون تمامًا أين يمكن أن تذهب هذه القطعة من الأحجية، مدركين ما أغفله الكثيرون، وكما قال لويس باستور قبل أكثر من قرن من الزمان: “الصدفة تفضل العقل المستعد”.

تُظهر قصة بطارية الليثيوم أيون أن باستور كان مُحقًا.

نُشرت هذه المقالة في العدد المطبوع لشهر أغسطس/آب 2023 من مجلة IEEE Spectrum بعنوان “الطريق الطويل والمتعرج لبطارية الليثيوم أيون”.