القصة الداخلية لبطاريات المركبات الكهربائية: إزالة الغموض عن كيمياء NCM وNCA وLFP وكيمياء الحالة الصلبة

السبب الرئيسي وراء عدم تولي السيارات الكهربائية بشكل كامل حمولة النقل هو المستوى التكنولوجي لبطارياتها عالية الجهد. على الرغم من التقدم الهائل الذي تم إحرازه في هذا المجال خلال العقد الماضي، إلا أن محتوى طاقة البطاريات ليس قريبًا من محتوى الطاقة في الوقود السائل. الكأس المقدسة لأبحاث السيارات هي بطارية ذات كثافة طاقة أعلى بكثير مما هو متاح حاليًا. لذلك قررنا إجراء مراجعة لتقنيات البطاريات الحالية والواعدة القادمة ونطلعك على أحدث التطورات.

التقنيات المستخدمة حاليا

أيون الليثيوم - كاثود NCM وNCA

يعود تاريخ بطاريات الليثيوم أيون إلى ما يقرب من 30 عامًا، عندما طرحتها شركة Sony في جهاز تجاري - كاميرا الفيديو Sony CCD-TR1. كيف تعمل بطارية الليثيوم أيون؟ باختصار، تنتقل أيونات الليثيوم من الأنود إلى الكاثود ذهابًا وإيابًا. أثناء التفريغ، يرسل الأنود أيونات الليثيوم إلى الكاثود. تنتقل أيونات الليثيوم عبر الشوارد السائلة بينما تنتقل الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية وتتحد مرة أخرى في كاثود الخلية. وأثناء الشحن يحدث العكس.

في الوقت الحاضر، تُستخدم أنواع بطاريات الليثيوم أيون NCM وNCA عالية الجهد بشكل حصري تقريبًا في السيارات الكهربائية. يشير N إلى النيكل، وC إلى الكوبالت، وM إلى المنغنيز، وA إلى الألومنيوم. اعتمادًا على نسبة هذه المواد في كاثود البطارية، يتم تحقيق خصائص مختلفة. على سبيل المثال، تعني بطارية NCM 712 أنها تتكون من 70% نيكل و10% كوبالت و20% منجنيز. وبشكل عام، كلما ارتفعت نسبة النيكل في البطارية، زادت كثافة الطاقة التي يمكن أن توفرها البطارية، مما يؤثر بشكل إيجابي عميق على وزن وأبعاد حزمة البطارية.

بسبب ندرة الكوبالت في القشرة الأرضية وأخلاقيات التعدين المشكوك فيها (عمالة الأطفال)، يحاول مصنعو البطاريات استخدام مواد كيميائية تحتوي على نسبة أقل من المادة أو استبعادها تمامًا. إن الجمع بين كاثود النيكل العالي وترتيب الخلية للتعبئة والسيليكون في الأنود قد يرفع كثافة الطاقة الخاصة به إلى 325 واط ساعة/كجم. يمكننا القول أن هذا النوع من البطاريات يقترب من حدوده التكنولوجية.

أيون الليثيوم - الكاثود LFP

البديل الآخر لكاثود بطاريات الليثيوم أيون هو استخدام فوسفات حديد الليثيوم. على الرغم من أن أداء هذا النوع من البطاريات أقل عمومًا من نوع NMC، إلا أنه يفضله بعض الشركات المصنعة بسبب عمر الخدمة الأعلى والمواد المستخدمة الأرخص والأكثر شيوعًا. كثافة الطاقة المحددة أقل هنا بسبب عاملين رئيسيين.

أولاً، نظرًا لأن الجهد الأقصى أقل، فهذا يعني أنه بالنسبة لنفس السعة نحصل على كيلووات ساعة أقل، وثانيًا، لأن أيونات الليثيوم تتحرك في بُعد مكاني واحد (بدلاً من اثنين في بطاريات NMC). حقيقة أن أيونات الليثيوم تتحرك في بعد مكاني واحد فقط تعني أن الحد الأقصى لطاقة التفريغ للبطارية أقل أيضًا، ولهذا السبب لا يعتبر هذا النوع من البطاريات مناسبًا للتطبيقات عالية الأداء.

هذا هو السبب وراء استخدام Tesla لهذا النوع من كيمياء البطارية فقط للإصدار الأساسي من الطراز 3. ومع ذلك، يتمتع هذا النوع من البطاريات بميزتين رئيسيتين. يعتبر طول عمرها أعلى من أنواع Li-ion الأخرى، وليس فقط أنها لا تواجه مشكلة عند شحنها بنسبة 100%، بل إنها في الواقع توصية قوية لهذه البطاريات.

التقنيات المستقبلية المحتملة

الليثيوم - الهواء

تعد بطاريات الليثيوم الهوائية في الغالب مشروعًا تكنولوجيًا في الوقت الحالي وهي قيد البحث، ولكن يبدو أن هذا النوع من البطاريات هو الأكثر واعدة على الإطلاق ويوفر قدرة طاقة محددة مماثلة للوقود السائل بقدرة 11.4 كيلووات ساعة/كجم. يوجد الليثيوم في الأنود بينما يوجد الهواء في الكاثود ويتم فصل هذين الاثنين بواسطة المنحل بالكهرباء. أثناء التفريغ، تنتقل أيونات الليثيوم من الأنود إلى الكاثود حيث يوجد الهواء وتتفاعل مع الأكسجين.

ولسوء الحظ، فإن درجات الحرارة المرتفعة أثناء الشحن تمنع إعادة الشحن السريع للبطارية، بينما يؤدي تكوين التشعبات أثناء العملية إلى تقليل عمر خدمة البطارية بشكل كبير، مما يحد من استخدامها حاليًا في بيئة المختبر. إذا تم التغلب على التحديات التكنولوجية وأصبحت تكلفتها معقولة، فإن مركبات ICE ستصبح قديمة بين عشية وضحاها.

الحالة الصلبة

ويعتبر الكأس المقدسة لبطاريات السيارات ويتم حاليًا إجراء أبحاث واسعة النطاق من قبل جميع عمالقة صناعة السيارات. تستخدم بطاريات الليثيوم أيون التقليدية اليوم إلكتروليتات سائلة وفاصلًا لفصل الأنود عن الكاثود. في بطارية الحالة الصلبة، يتم استبدال الإلكتروليت السائل والفاصل بإلكتروليت صلب.

يقوم الباحثون حاليًا بتقييم مجموعة من الخيارات للإلكتروليت الصلب، بما في ذلك المواد المعدنية والسيراميك. وفي حين لا تستخدم أي سيارات كهربائية حاليًا تقنية البطاريات هذه، فمن المتوقع أن تصل نماذج الإنتاج الأولى إلى السوق خلال العامين أو الثلاثة أعوام القادمة. من المتوقع أن توفر هذه البطارية كثافة طاقة محددة ضعف كثافة بطاريات Li-ion التقليدية ذات الإلكتروليتات السائلة، مع الحفاظ على عمر افتراضي يصل إلى 1000 دورة، على الرغم من أن هذه التقديرات يمكن أن تتحسن مع تقدم التطوير.