الطاقة
مستقبل التنقل – تكنولوجيا البطاريات
صعود المركبات الكهربائية
عندما تأسست شركة تيسلا في عام 2003، كان يُنظر إلى فكرة السيارات الكهربائية في الغالب على أنها مزحة. في تلك المرحلة، كانت كل سيارة كهربائية في الأساس عبارة عن عربة غولف ممجدة ذات نطاق بطارية ضعيف، وراحة منخفضة، وحجم صغير، وسرعة قصوى منخفضة للغاية.
تيسلا رودستر (1st جيل، كما ومن المتوقع إصدار جديد في عام 2026) غير هذا التصور تمامًا، مع أداء السيارة الرياضية الفاخرة، مما جعل السيارات الكهربائية (EV) باردة فجأة.
كان الجزء الرئيسي الذي جعل المركبات الكهربائية قابلة للحياة فجأة هو التقدم في تكنولوجيا البطاريات. في البداية، كان هذا يعتمد على بطاريات الليثيوم أيون المصممة للسوق الإلكترونية الصغيرة. وسرعان ما تم تطوير المزيد من الأنظمة المخصصة لمنح المركبات الكهربائية مزيدًا من الاستقلالية.
من حجم صغير حتى في عام 2016، أصبحت السيارات الكهربائية الآن جزءًا متزايدًا بشكل كبير من المبيعات العالمية، مع بيع أكثر من 10 ملايين سيارة كهربائية في عام 2022، أو 14% من المبيعات العالمية، وتتصدر الصين وأوروبا الطريق.
مبيعات المركبات الكهربائية العالمية – المصدر: IEA
ومع ذلك، وعلى الرغم من هذا التقدم، لا تزال بعض الأسئلة مفتوحة حول اعتماد المركبات الكهربائية. تباطأت مبيعات السيارات الكهربائية في مواجهة ارتفاع التضخم والحاجة إلى إقناع عامة الناس - وليس فقط المتبنين الأوائل. وقد أدى هذا مؤخرا إلى تأجيل أو إلغاء استراتيجية السيارات الكهربائية من قبل كبرى الشركات المصنعة، مثل جنرال موتورز أو فورد أو هوندا.
القيود الحالية
كان عشاق السيارات الكهربائية الأوائل سعداء باستخدام المركبات التي يمكن أن تكون أكثر حيادية للكربون وتمثل تقنية جديدة. لا يزال المشترون الأقل اهتمامًا بالبيئة متشككين إلى حد ما في المركبات الكهربائية لعدة أسباب:
- السعر: لا تزال تكلفة معظم المركبات الكهربائية أعلى من تكلفة محرك الاحتراق الداخلي (ICE). مع ارتفاع أسعار الفائدة، قد يؤدي ذلك إلى جعل المركبات الكهربائية باهظة الثمن بالنسبة لكثير من الناس.
- قلق المدى: إحدى طرق خفض سعر السيارة الكهربائية هي اختيار خيار حزمة البطارية الأصغر حجمًا. ولكن بعد ذلك، يمكن أن يؤدي النطاق المنخفض إلى جعل الرحلات الطويلة صعبة، ويمكن أن يكون وقت الشحن طويلاً أيضًا.
- طقس بارد: كلما كان المناخ باردا، كلما زاد الضرر للبطاريات. تحتاج معظم المركبات الكهربائية إلى الاستمرار في الشحن في ليالي الشتاء إذا لم تكن في مرآب دافئ. علاوة على ذلك، فإن البرد يقلل من النطاق النظري للمركبات الكهربائية.
- شحن البنية التحتية: قد يجد الأشخاص الذين يعيشون في الشقق صعوبة في إعادة شحن سياراتهم الكهربائية في حالة عدم توفر محطات شحن عامة كافية. يمكن أن تؤدي الطوابير الطويلة أو الشحن البطيء أو عدم وجود محطات قريبة إلى تجربة سيئة.
- سلامة البطارية ومتانتها: بطاريات الليثيوم أيون تحتوي على قدر كبير من الطاقة. والإلكتروليتات الموجودة في البطارية شديدة الاشتعال. وهذا يجعل البطاريات تشكل خطراً على السلامة، خاصة في البيئات المغلقة مثل مواقف السيارات تحت الأرض. لا يعني ذلك أن سيارات ICE غير قابلة للاشتعال، لكنها لا تزال تثير القلق.
- شبكة كهربائية: على الرغم من أنها لا تشكل مصدر قلق حقيقي لمشتري السيارات الكهربائية، إلا أنها يمكن أن تصبح مشكلة للقطاع ككل. إن الشبكات الكهربائية متوترة إلى حد ما بالفعل، وقد لا تتعامل بشكل جيد مع ملايين المركبات التي تحتاج إلى إعادة الشحن. ويمثل مصدر الكهرباء أيضًا مشكلة، حيث يأتي الكثير منها من الوقود الأحفوري، بما في ذلك الفحم.
يمكن حل معظم المشكلات المتعلقة بالمركبات الكهربائية الحالية باستخدام بطاريات أفضل. الشحن البطيء، والنطاق المنخفض جدًا، ومشكلات السلامة، والحساسية الباردة، وحتى السعر، كلها من خصائص بطاريات الليثيوم أيون الحالية.
ويعمل الباحثون وقادة الصناعة بجد لحل هذه العيوب، إما عن طريق تحسين التصميم الحالي أو اختراع طرق جديدة تمامًا لبناء البطاريات.
وبشكل عام، تعني البطاريات الأكثر كثافة بطاريات أرخص وأكثر أمانًا ومن المرجح أيضًا أن تدوم لفترة أطول ويتم شحنها بشكل أسرع.
تحسين بطاريات الليثيوم
وتتمثل الخطوة الأولى في تحسين البطاريات الحالية والاستفادة من ثروة المعرفة والخبرة في هذه التكنولوجيا. يرى بعض الباحثين أن الجيل الحالي من البطاريات لا يزال قادرًا على التحسين بشكل تدريجي حتى عام 2030: “آفاق بطاريات الليثيوم أيون وما بعدها - رؤية عام 2030".
الجزء الأول هو تحسين ككاثود جزء من البطارية، والتي تتكون حاليًا في الغالب من الليثيوم والنيكل في بطاريات الليثيوم أيون. إن الفهم الأعمق للبنية البلورية والتغير الكيميائي عند عمر البطارية يمكن أن يحسن جميع مواصفات البطاريات.
مصاعد، المصنوعة حاليًا من الجرافيت، يمكن استبدالها بـ 5x-10x من السيليكون أو أكسيد السيليكون الأكثر كثافة في الطاقة. وكان هذا الأمر صعبًا حتى الآن، نظرًا لأن أنودات السيليكون تميل إلى "التقادم" بسرعة كبيرة جدًا. أصبحت خلطات الجرافيت والسيليكون أكثر شيوعًا بالفعل، ويمكن أن تساعد في تعزيز الطاقة الإجمالية للبطاريات.
تغيير الشوارد يمكن أن يساعد أيضًا توصيل الأنود والكاثود. يمكن للأنواع الجديدة من المذيبات السائلة، أو الإلكتروليتات الأكثر تركيزًا، أو ربما حتى الإلكتروليتات الشبيهة بالهلام، تحسين ملف السلامة وزيادة كثافة البطارية.
أخيرًا تصميم أفضل يعد خيارًا لتحسين العلاقة بين البطاريات والمركبات الكهربائية. بدأ العديد من مصنعي السيارات الكهربائية في استخدام ما يسمى ب البطاريات الهيكلية التي هي على حد سواء تخزين الطاقة والمكونات الهيكلية للمركبة. وهذا يمكن أن يقلل من الوزن الإجمالي للسيارة، مما يؤدي إلى مزيد من الكفاءة والمدى. وتعمل رولز رويس وتسلا وفولفو بالفعل على هذه الفكرة، والتي يمكن أن تزيد النطاق بنسبة 16%.
بطاريات الحالة الصلبة
نظريات طويلة وواقعية ببطء في المختبرات، بطاريات الحالة الصلبة غالبًا ما توصف بأنها الكأس المقدسة لتكنولوجيا البطاريات.
والفكرة هي التخلص تمامًا من الحاجة إلى الإلكتروليتات السائلة، مما يقلل بشكل كبير من وزن البطارية ويزيد كثافتها بشكل كبير. إن إزالة المنحل بالكهرباء القابل للاشتعال من شأنه أن يجعل البطارية أكثر أمانًا. يجب أن تؤدي إزالة المنحل بالكهرباء أيضًا إلى تبسيط عملية الإنتاج؛ إزالة ما يصل إلى 3 أسابيع في خط التصنيع.
وأخيرًا، تعد مثل هذه التصميمات بإعادة التحميل بالكامل تقريبًا خلال 3 إلى 5 دقائق، أو في نفس الوقت تقريبًا الذي تستغرقه إعادة تزويد السيارة بالوقود بالبنزين.
تتحدث العديد من الشركات عن إطلاق نسختها الخاصة من بطاريات الحالة الصلبة في عام 2026-2029. وهذا يشمل كوانتوم سكيب (QS) ، كاتل (300750.SZ) ، تويوتا (TM)، باناسونيك (6752.T) ، إل جي (051910.KS) وسامسونج إس دي آي (006400.KS). في الوقت الحالي، تسلا (TSLA) يعمل على بديلها الخاص لبطاريات الحالة الصلبة، 4680 خلية بطارية تعتمد على تقنية الليثيوم أيون.
مشاكل البطاريات ذات الحالة الصلبة
لقد واجه تطوير بطاريات الحالة الصلبة صعوبات في توسيع نطاق النماذج الأولية المختبرية لتشمل المنتجات المصنعة بكميات كبيرة. لا يزال الإنتاج الموثوق والآلي ومنخفض التكلفة قيد العمل، ومن المرجح أن يكون الجدول الزمني لوصول بطاريات الحالة الصلبة إلى السوق في أفق 2026-2028 في أحسن الأحوال.
المصدر فيرتكس القابضة
أخيرًا، ستستخدم بطاريات الحالة الصلبة كمية من الليثيوم أكبر بكثير من بطاريات الليثيوم أيون الحالية، وهو الأمر الذي قد يتسبب في تكرار ارتفاع سعر الليثيوم في عام 2022، عندما ارتفع بمقدار 10 أضعاف خلال عامين. قد تكون إعادة التدوير صعبة أيضًا.
البطاريات "المكثفة".
ربما لا نحتاج إلى انتظار بطاريات الحالة الصلبة لنرى بطاريات عالية الكثافة. أعلنت شركة CATL عن تصنيع بطارية "مادة مكثفة".قادرة على الوصول إلى 500 واط/كجم. تدعي الشركة أيضًا أن إمكانية تحقيق الإنتاج الضخم في فترة زمنية قصيرة، والتي تأتي من الشركة الرائدة في هذا القطاع وليس من شركة ناشئة صغيرة، من المحتمل أن تكون ذات مصداقية.
هذا هو مستوى الكثافة الذي كان يُعتقد سابقًا أنه لا يمكن تحقيقه إلا عن طريق بطاريات الحالة الصلبة. وهو أيضًا المستوى المطلوب للبدء في النظر في الطائرات الكهربائية والتطبيقات الأخرى التي كان من المستحيل حتى الآن كهربتها.
كيمياء البطاريات البديلة
هناك العديد من البدائل الممكنة لليثيوم أيون لإنشاء بطارية. ولكن عددًا قليلًا فقط من كيمياء البطاريات سيكون لديه المزيج الصحيح من الوزن الخفيف والكثافة العالية والسلامة ليكون مناسبًا للاستخدام في تطبيقات الهاتف المحمول.
على المدى الطويل، قد تحل بعض هذه البطاريات البديلة محل بطاريات الليثيوم الأكثر تكلفة، على الأقل عندما يتعلق الأمر بسوق السيارات الأكثر حساسية للسعر.
بطاريات الليثيوم والحديد (فيروم) والفوسفات – LFP
ظلت بطاريات LFP خارج نطاق تطبيقات التنقل لفترة طويلة بسبب كثافة الطاقة المنخفضة جدًا، عادة ما تكون أقل بنسبة 30-40% من بطارية الليثيوم أيون الكلاسيكية. وصلت أحدث نسخة من هذه الكيمياء الآن إلى مستوى كثافة بطاريات الليثيوم أيون من الجيل الأقدم، مما يجعلها صالحة للاستخدام في المركبات منخفضة التكلفة.
الميزة الكبيرة لـ LFP هي أنها لا تتطلب أي نيكل أو كوبالت، وكلاهما مسؤول عن سعر بطاريات الليثيوم أيون الكلاسيكية. وفي المقابل فإن الحديد والفوسفات متوفران بكثرة ورخيصة الثمن. من المرجح أيضًا أن يستمر LFP لفترة أطول، مما يقلل من إجمالي تكلفة عمر نظام البطارية.
الشركة الرائدة في مجال تصنيع LFP هي CATL الصينية (300750.SZ) ، مع BYD (بي دي دي إف)، حتى لو كانت الشركة تبحث الآن عن خيارات أخرى للحفاظ على مكانتها كشركة مصنعة لنصف البطاريات في العالم.
ومع ذلك، فهي لا تهمل سوق LFP بعد الكشف في أغسطس 2023 عن طريق بطول 700 كيلومتر. بطارية LFP يمكنها إعادة شحن مدى يصل إلى 400 كيلومتر في 10 دقائق فقط.
صوديوم أيون
إلى جانب الكوبالت والنيكل، يعد الليثيوم المورد الرئيسي الآخر المكلف الذي يدخل في صناعة أيونات الليثيوم. على النقيض من ذلك، فإن الصوديوم متوفر بكثرة ورخيص للغاية ومن غير المرجح أن يحدث نقص في المعروض بانتظام مثل الليثيوم.
الشركة الصينية الرائدة في صناعة السيارات، أعلنت شركة BYD عن نيتها استخدام بطاريات أيون الصوديوم في موديلاتها الجديدة منخفضة السعر Dolphin وSeagull، حيث قد يصل سعر Seagull إلى 10,000 دولار (للأسف، فقط في الصين).
جاء ذلك عقب الإعلان عن بطارية أيون الصوديوم عالية الكثافة من شركة CATL في عام 2021. في نوفمبر 2023، أعلنت شركة نورثفولت الأوروبية طفرة في أيون الصوديوم، وتحقيق نفس الشيء كثافة طاقة 160 واط/ساعة لكل كيلوغرام من CATL.
في حين أن كثافة الطاقة أقل قليلاً من LFP وأقل بكثير من أيون الليثيوم، فإن أيون الصوديوم قد يفوز بالسوق الشامل بفضل سعره الأرخص بكثير، يحتمل أن يكون ثلث سعر البطاريات الحالية باستخدام النيكل.
كيمياء أخرى
على الرغم من أنه قد يستغرق وقتًا طويلاً للنظر إلى كل واحدة على حدة، إلا أن هناك عددًا لا بأس به من الكيمياء المحتملة الأخرى التي قد تصبح في يوم من الأيام منافسًا جديًا للبطاريات المستخدمة في تطبيقات التنقل. لكن هذه التقنيات لا تزال في مرحلة مبكرة، مما يجعل اعتمادها في المركبات الكهربائية غير مرجح على المدى القصير.
بطاريات زجاجية
فكرة مثيرة للاهتمام، باستخدام مواد وفيرة جدًا فقط، والتي يكافح باحثون آخرون حتى الآن لتكرارها في مختبراتهم الخاصة. ولكن النظر في هذه الفكرة يدعمها السيد جوديناف، مخترع بطارية الليثيوم أيون، لا ينبغي رفضه أيضًا (للأسف، توفي السيد جوديناف في صيف عام 2023)
بطاريات الجرافين
الجرافين، وهو طبقة واحدة من ذرات الكربون، موصل للغاية. شركة مجموعة تصنيع الجرافين (GMG.V) تتجه نحو بطاريات الجرافين/الألمنيوم، والتي يمكن أن تكون ذات كثافة أعلى من ليثيوم أيون مع شحن أسرع 70 مرة وتدوم لفترة أطول 3 مرات. الشركة هي العمل مع شركة التعدين العملاقة (وعامل منجم الجرافيت) Rio Tinto لبدء الإنتاج على نطاق واسع لعام 2025.
بطاريات الهيدروجين المنغنيز
ستستخدم هذه البطاريات المغنيسيوم ليحل محل الليثيوم. وقد تم وصف هذا النوع من البطاريات بأنه "شبه الحالة الصلبة"ويمكنه التعامل مع درجات حرارة أفضل بكثير تصل إلى -22 درجة مئوية (- 7 درجات فهرنهايت).
بطاريات الليثيوم والكبريت
ستستخدم هذه البطاريات الليثيوم والكبريت بدلاً من الكوبالت والنيكل باهظ الثمن. وحتى في هذه المرحلة المبكرة، فإنها تظهر كثافة طاقة عالية بشكل ملحوظ. ومع ذلك، فقد عانت من مشاكل تتعلق بالمتانة وستحتاج إلى أن تصبح أكثر متانة لتكون بديلاً جيدًا للكيميائيات الموجودة.
المصدر فيرتكس القابضة
بطاريات الصوديوم والكبريت
كانت هذه البطاريات في الوقت الحالي مقتصرة على التطبيقات التي يتم فيها الاحتفاظ بالبطارية في درجات حرارة عالية (300 درجة مئوية). لكن، يمكن للإلكتروليتات الجديدة التي تمنع ذوبان الكبريت أن تزيل هذا المطلب. لذلك، قد تصبح هذه زاوية جديدة للعثور على بطاريات قوية ورخيصة الثمن.
بطاريات أيون الألومنيوم
تستبدل هذه التقنية أنود الليثيوم بأنود الألومنيوم. باستخدام كبديل للبوليمر للجرافيت، يمكن لهذه البطاريات أن تحقق سعة تخزينية عالية.
الألومنيوم الهواء
تعمل هذه "البطاريات" عن طريق استهلاك الألمنيوم كوقود، مما يتيح للسيارة الكهربائية استخدامه مدى أعلى من سيارة الوقود (1,600 كيلومتر لكل خزان)، مع كثافة طاقة أكثر كثافة بكثير من أيونات الليثيوم (1,350 واط/كجم). وهذا يجعلها أيضًا مصدرًا محتملاً للكهرباء للطائرات الكهربائية.
ويمكن بعد ذلك استبدال الألمنيوم المستهلك بألمنيوم جديد خلال 90 ثانية، ويتم إعادة تدوير "الوقود" المستهلك. ويمكن أيضًا دمج هذه التقنية مع السيارات الكهربائية الأقدم لمنحها نطاقًا أكبر.
وفي الوقت الحالي، يبدو أن الحد الرئيسي لتطوير هذه التكنولوجيا هو فشلها في الحصول على الدعم العام، لأنها ليست بطارية حقيقية، أو خلية وقود، أو تعتمد على الهيدروجين، مما يجعلها غير مؤهلة للحصول على الدعم من خلال السياسات الخضراء الحالية.
