سيأتي وقت ستوفر فيه السيارات الكهربائية بشكل روتيني نطاقًا يصل إلى مئات الأميال من البطارياتالتي تدوم لعقود من الزمن. يعمل الكثير من العلماء حول العالم بلا كلل لجعل هذا النوع من البطاريات حقيقة واقعة. لكن السؤال متى نصل الى هذه النوعية من البطاريات !
مدى السيارات الكهربائية بين الواقع والتمنى
فهل هذا يعني أننا عالقون إلى الأبد مع المركبات الكهربائية التي تفقد ثلث مداها في البرد ويستغرق شحنها أحيانًا ساعات؟ مستحيل. والحقيقة هي أن البطاريات تتحسن قليلاً كل عام، وهي مسيرة ثابتة جعلت من السيارات الكهربائية حقيقة واقعة، وتعد بنقلنا إلى تلك الإنجازات الكبرى في الوقت المناسب. دعونا نتعمق أكثر في تلك الوعود والتغييرات الأخرى المتنوعة التي ستطرأ على بطارية السيارة الكهربائية القريبة منك عاجلاً وآجلاً.
البطاريات الأفضل
هناك الكثير من الطرق لتحسين البطاريات، ولكن قبل أن نتعمق في الجوانب الفنية، علينا أولاً أن نتوقف لحظة لتحديد ما نعنيه بكلمة “أفضل”.
هل نقصد بطارية تشحن بشكل أسرع؟ ماذا عن البطارية التي تدوم لفترة أطول، أو تعمل بشكل أفضل في درجات الحرارة المرتفعة؟ من الناحية المثالية، الجواب هو “نعم” في جميع المجالات. لكن هذا ليس بهذه السهولة. إن زيادة جانب واحد من أداء بطارية السيارة الكهربائية يمكن أن يؤدي في الواقع إلى تقليل جانب آخر.
مثلما ينتج الإطار الأكثر صلابة عمرًا أطول ولكن تماسكًا أقل، فإن البطارية التي يمكن إعادة شحنها إلى ما لا نهاية قد لا تحتوي على الكثير من الطاقة لكل شحنة.
6 عوامل تحدد أفضلية البطارية :
1 – التكلفة – ما مدى تكلفة إنتاج هذه البطارية، سواء من حيث المواد الخام، أو تعقيد التصنيع، أو كثافة الطاقة.
2 – دورة الحياة – كم مرة يمكن شحن هذه البطارية وتفريغها قبل أن تحتاج إلى إعادة تدويرها أو تحويلها إلى خدمة تخزين الشبكة؟
3 – كثافة الطاقة – ما هو عدد كيلووات/ساعة من الكهرباء التي يمكن أن تخزنها حزمة ذات وزن أو حجم معين؟
4 – السلامة – ما مدى قدرة هذه البطارية على مقاومة الأضرار الكارثية المحتملة عند ارتفاع درجة حرارتها أو تلفها؟
5 – الاستدامة – ما هو عدد المواد النادرة من الأماكن التي تشهد صراعات شديدة والتي تتطلبها هذه البطارية؟ وما مدى إمكانية إعادة تدويرها؟
6 – الأداء الحراري – ما مدى جودة أداء البطاريات مابين فبراير القارس البرد ويوليو شديد الحرارة
الكيمياء المتطورة
قم بفتح البطارية (وهو ما لا نوصي به على الإطلاق، للعلم)، وسترى بداخلها بعض المواد ذات المظهر البغيض والتي غالبًا ما تكون سامة وغير مستقرة في كثير من الأحيان، وهي عبارة عن خليط من المعادن والمركبات المسؤولة عن التفاعل الكيميائي الذي يخزن في النهاية الشحنة الكهربائية.
إن التركيب الكيميائي لتلك المواد هو الذي يحدد، بشكل عام، أداء بطارية معينة عبر المعايير المختلفة المذكورة أعلاه.
لدى الليثيوم أيون نكهات ذات قوة أعلى، وبعضها ذو طاقة أعلى. ولديهم تقلبات مختلفة.” حتى ضمن نطاق بطاريات الليثيوم أيون، هناك قدر كبير من التنوع بين كيمياء البطاريات الفردية والمواد المستخدمة للمكونات الفردية. عادةً ما يعني ذلك الأنود والكاثود والكهارل بينهما. يقول جيسون كولر، مدير التكنولوجيا في شركة Chemix: “سيكون للكاثود تأثير كبير على كثافة الطاقة والتكلفة والاستقرار الحراري”. وقال: “للأنود تأثير كبير على مدى سرعة شحنه، بالإضافة إلى كثافة الطاقة والتكلفة إلى حد ما. وكلا الأمرين سيكون لهما تأثيرات مختلفة على دورة الحياة”.
نظافة البطاريات الكهربائية
تستخدم شركة Chemix الذكاء الاصطناعي، وخاصة التعلم الآلي، للمساعدة في فرز مجموعات لا نهاية لها من المواد والمواد الكيميائية للعثور على مجموعات مثالية لخلايا البطاريات عالية الأداء.مجرد تحسين جانب الكاثود من المعادلة يتضمن العديد من المتغيرات. مثلا الكوبالت، الذي يستخدم كمثبت لزيادة دورة الحياة الفعالة للبطارية : من الناحية المثالية، نود التخلص منه لأنه معدن الصراع وهو مكلف”.
لكن المشكلة عندما تتخلص منه فأنك تضر ببعض استقرار الأقطاب الكهربائية، لذلك لن تحصل على العديد من دورات الشحن والتفريغ ما لم تتمكن من تحسينها في مكان آخر.”إن تحسين البطارية، إذن، يشبه بشكل فعال صيغة رياضية ضخمة ومعقدة، مع مدخلات متعددة كل منها يخلق أبعادًا مختلفة. الحيلة هي العثور على المدخلات الصحيحة بالكميات المناسبة لتوليد أفضل المخرجات.
البطاريات من الداخل
من السهل أن نفكر في البطارية الموجودة داخل السيارة الكهربائية على أنها قطعة كبيرة من الأشياء الضارة، ولكنها في الواقع عبارة عن العديد من الخلايا المختلفة مجتمعة معًا لتشكل بطارية واحدة كبيرة تعمل في النهاية على تشغيل السيارة.
بالنظر إلى ذلك، وبالنظر إلى مدى تخصص بعض كيمياء البطارية وبنيتها، كان لدى شركة ” ONE ” فكرة رائعة تتمثل في انشاء بطارية واحدة تتكون في الواقع من مجموعتين من خريا البطارية ، وتسمي الركة هذه العملية ب ” الجوزاء ” .يتكون نصف العبوة من تركيبة خلية أيون الليثيوم تسمى فوسفات حديد الليثيوم، ، وإحدى المشاكل التي فشل LFP في التغلب عليها هي توفير كثافة طاقة كافية لتحقيق أهداف النطاق.”
كثافة طاقة البطارية
تعني كثافة الطاقة المنخفضة عددًا أقل من الأميال من بطارية معينة تزن كمية معينة، مما يعني بطاريات أكبر وأثقل لتوفير نوع النطاق الذي نريده من سيارة كهربائية حديثة. ولمعالجة هذه المشكلة، يتكون النصف الآخر من حزمة بطارية ONE من خلايا بطارية تستخدم بنية خالية من الأنود. في بطارية الليثيوم أيون التقليدية، تنتقل أيونات الليثيوم بين الكاثود (الإيجابي) والأنود (السالب) وتتجمع بشكل فعال عند تفريغ البطارية وشحنها. يتكون الأنود عادة من الجرافيت ويعمل بشكل أساسي كمساحة آمنة لتعيش أيونات الليثيوم عند شحن البطارية.
مع بطارية خالية من الأنود، تأتي أيونات الليثيوم جميعها من الكاثود، وتشكل كيميائيًا أنودًا من معدن الليثيوم على مجمع تيار نحاسي بسيط أثناء الشحن الأول.
ما سبق يعني قطع الكثير من الأميال من شحنة واحدة لحزمة صغيرة وخفيفة الوزن. لكنها حزمة لا يمكنك إعادة شحنها كثيرًا قبل أن تنفد.
من خلال إقران تلك الخلايا الخالية من الأنود مع خلايا LFP، التي توفر أميالًا أقل ولكن عمرًا أطول لإعادة الشحن، لديك ما يسميه ONE “بطارية مزدوجة”. تتمثل الفكرة في النقر على الجانب الخالي من الأنود فقط عندما تحتاج إلى رحلات أطول.
حساسية درجة الحرارة
في حين أن البطاريات الحديثة أفضل بكثير في التعامل مع درجات الحرارة القصوى مقارنة بتلك التي كانت موجودة قبل بضع سنوات فقط، إلا أن المركبات الكهربائية لا تزال أكثر فعالية في درجات الحرارة المتواضعة. وقال كولر من شركة Chemix: “بشكل عام، تعمل البطاريات بشكل أفضل عند درجات الحرارة المرتفعة ولكنها تتحلل بشكل أسرع”. “وفي درجات الحرارة المنخفضة، لا تعمل بشكل جيد ولكنها تدوم لفترة أطول.”
كلما انخفضت درجات الحرارة، أصبحت الأمور أسوأ، وبين الحرارة الشديدة والبرد الشديد، فإن المشكلة الأكثر صعوبة هي البرد الشديد”. عند -30 درجة مئوية (-22 فهرنهايت)، تتجمد بالفعل الشوارد السائلة أو الهلامية الموجودة داخل البطارية والتي تنقل أيونات الليثيوم. ولذا فإن الوصول إلى -40 أمر صعب للغاية لأن المنحل بالكهرباء لا يتمتع بالقدرة على الحركة في تلك المرحلة”. أحد الحلول هو ببساطة الحصول على بطاريات ذات سعة أكبر، بحيث تكون الخسارة الفعالة أقل. ومع ذلك، فإن تصميمات الأقطاب الكهربائية الأكثر قوة يمكن أن تخفف من ذلك، مما يتيح تقليل توليد الطاقة حتى في درجات الحرارة المنخفضة
قابلية إعادة التدوير
في حين أننا نميل إلى التفكير في أداء البطارية من حيث المدى الذي ستحققه السيارة، فإن إعادة التدوير تعد جانبًا مهمًا من الأداء العام للبطارية أيضًا. بعد كل شيء، من المفترض أن تكون المركبات الكهربائية أفضل لبيئتنا .
بالنسبة لتقنية غعادة تدوير البطاريات حاليا ومستقبليا : من خلال تصميم البطاريات ذات الخلايا والوحدات ذات الحجم القياسي، يمكن تجديدها بشكل متزايد بدلاً من إعادة تدويرها. قد يعني هذا تفكيك وتنظيف وإعادة استخدام أجزاء من مجموعة البطاريات التي تم سحبها ولكنها سليمة بدلاً من رمي كل شيء في المطحنة، وتحويلها إلى مزيج من المعادن الثقيلة تسمى “الكتلة السوداء”، ومحاولة انتقاء العناصر من هناك. ولكن إذا تم بالفعل تقسيم البطارية إلى قطع صغيرة كهذه، فإن الفوضى الناتجة يمكن أن تؤدي في الواقع إلى ولادة بطاريات أفضل.
أخيرًا، إذا فشلت كل الطرق الأخرى، فحتى بطاريات السيارات الكهربائية المتعبة تكون مناسبة تمامًا للاستخدام في التخزين الصناعي، إما للعمل كطاقة احتياطية للشركات أو في المنشآت الأكبر المرتبطة مباشرة بالشبكة. وبهذه الطريقة، يمكن شحنها عندما يكون هناك فائض في توليد الطاقة، غالبًا في الليل، ثم يتم استنفادها خلال فترات الطلب المرتفع.
بطارية الحالة الصلبة
الخطوة الأخيرة للأمام هي تقنية تسمى بطاريات “الحالة الصلبة.” يتفق معظم الخبراء على أن هذا لا يزال أمامنا عقد جيد أو نحو ذلك بعيدًا عن الإنتاج الضخم، لذا من بين جميع التحسينات هنا، سيتطلب هذا التحسينات قدرًا أكبر من الصبر. لكن التكنولوجيا أثبتت جدواها. يعمل المهندسون فقط على التفاصيل الدقيقة لإحضاره إلى مرحلة الإنتاج. وحول بطاريات الحالة الصلبة ، إذا كنت مهتمًا بالتكنولوجيا، ولكن النسخة المختصرة هي أن بطاريات أيونات الليثيوم النموذجية اليوم تعتمد على محلول إلكتروليت سائل يسمح للأيونات بالتدفق من الأنود للكاثود أو العكس.
في بطارية الحالة الصلبة، يكون الفاصل بين الأنود والكاثود عبارة عن مادة صلبة غالبًا ما تكون سيراميكية تسمح بتدفق الأيونات مباشرة دون الحاجة إلى إلكتروليت.من المفترض أن يؤدي هذا التغيير إلى بطاريات ذات كثافة أعلى أثناء الشحن بشكل أسرع بكثير وتكون أكثر استقرارًا حراريًا أيضًا، مع أداء أكبر في درجات الحرارة المنخفضة وانخفاض خطر الحريق بشكل كبير. وبعبارة أخرى، يمكنهم، بل ينبغي لهم، أن يقدموا تحسيناً شاملاً في الأداء، ولكن هناك بعض المشاكل. الأكبر؟ يكلف.
سوف تتطلب حزم الحالة الصلبة ما يصل إلى خمسة إلى عشرة أضعاف كمية الليثيوم التي تتطلبها حزم البطاريات الحالية، وهو مورد نادر للغاية بالفعل. علاوة على ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث لمنع تكوين عيوب داخلية تسمى التشعبات، والتي تشبه الهوابط المجهرية التي يمكن أن تسبب قصر دائرة البطاريات وفشلها. بمجرد حل هذه المشكلات، يمكننا أن ننظر إلى البطاريات ذات الكثافة التي تبلغ ضعفين إلى ثلاثة أضعاف كثافة الخلايا الحالية.
نظرة للمستقبل
على الرغم من أن الحالة الصلبة لديها القدرة على إحداث ثورة في عالم السيارات الكهربائية، إلا أن بطارية الليثيوم أيون المتواضعة اليوم ومشتقاتها المختلفة، مثل LFP، لا يزال أمامها طريق طويل لتقطعه. مثلا إذا نظرت إلى الوراء وفكرت في التحسن على أساس سنوي، فستجد أن البطاريات قد تحسنت بنسبة 6 بالمائة على أساس سنوي في المتوسط، وكانت المواد تتطور. لذلك أيعتقد أننا لم ننتهي بأي حال من الأحوال.”
وهناك بالطبع خطوات أكبر في الأفق.
