السيارات الكهربائية: فيما يلي تقنيات البطاريات المختلفة (الصوديوم، والصلبة، وLFP، وNMC، وNCA، وما إلى ذلك) ومزاياها

لا شك أن محور السيارة الكهربائية هو بطاريتها. وهذا الأخير هو الذي يسمح للمركبة بالمضي قدمًا، ولكن من الواضح أيضًا إعادة الشحن. ولكن بين أرينو زويوواحدتسلا موديل S، توجد اختلافات كثيرة على مستوى البطارية.

وسوف نعود بالتفصيل في هذا الملف إلى الكيميائيات والتقنيات المختلفة المستخدمة اليوم، وسنرى تلك التي تم التخطيط لها في المستقبل. إذا كانت مصطلحات NMC أو LFP أو بطاريات أيونات الصوديوم أو حتى بطاريات الحالة الصلبة غير معروفة لك، فأنت في المكان الصحيح، نشرح لك كل شيء.

اثنان من الكيمياء الأكثر شعبية منذ وصول بطاريات الليثيوم أيون على متن السيارات الكهربائية على التواليالنيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) والنيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA). كما يوحي اسمهم،يستخدمون الكوبالتفي تكوينها.

على وجه الخصوص، يعمل الكوبالت بمثابة المادة الأساسية للكاثود، وهو جزء من الخلية الذي يحدد قدرتها. الميزة الكبيرة لاستخدام الكوبالت للكاثود هي ذات شقين:كثافة الطاقة ممتازة(أي أن عدد الكيلوواط/ساعة المخزنة لكل كيلوغرام من البطارية أعلى)، ويعد نظام إدارة البطارية (BMS) أكثر دقة فيما يتعلق بمستوى الشحن المتبقي.

تحتوي بطاريات NMC وNCA أيضًا علىقدرة تفريغ جيدة جدًا لدرجة الحرارة العاليةولهذا السبب تميل السيارات الكهربائية ذات المظهر الرياضي إلى استخدامها. وهذا هو الحال بشكل خاص في حالة الأخيرتسلا موديل S منقوشة، أوأداء تسلا موديل Y.

ومع ذلك، فإن الكوبالت الموجود في الكاثود يثير العديد من المناقشاتسواء الاقتصادية أو الأخلاقية. في الواقع، هو معدن يتم استخراجه بشكل رئيسي في الكونغو، وفي الماضي، تم تمييز بعض عمليات التعدين غير القانونية بسبب ظروف العمل الكارثية. لقد حاولنا أيضًا تقديم بعض الإجاباتحول استغلال الكوبالت والجانب “النظيف” للسيارة الكهربائية في ملف مخصص.

ومن ناحية التكاليف أيضاًتعدين الكوبالت أغلى بكثير من المعادن الأخرى. على سبيل المثال، الكوبالت أغلى بمرتين تقريبًا من النيكل، وخمسة عشر مرة أكثر تكلفة من الألومنيوم، وما يصل إلى ألف مرة أكثر تكلفة من المنغنيز. لهذه الأسباب، الأخلاقية والمالية على حد سواء، يميل المصنعون إلى الاستغناء عن الكوبالت في بطاريات الليثيوم أيون الخاصة بهم، من خلال تطوير بدائل لبطاريات NMC وNCA التي تستخدم كمية أقل من الكوبالت أو لا تستخدمها على الإطلاق.

على سبيل المثال،تستخدم بعض الشركات المصنعة كاثودات نشطة تعتمد على فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4)، والتي لا تستخدم الكوبالت، وهذا ما سنعود إليه أدناه.

فوسفات الليثيوم والحديد: تحسين التكلفة، مع بعض المزايا والعيوب

سواء لأسباب أخلاقية أو مالية.إن الحد من استخدام الكوبالت هو استراتيجية تتبناها بانتظام الشركات العملاقة في قطاع البطاريات الكهربائية. الكيمياء الأكثر شيوعًا في السنوات الأخيرة والتي تتجاهل الكوبالت تمامًا هيبطارية ليثيوم فوسفات الحديد (LFP، أو LiFePO4)، الذي يختلف كاثوده النشط كثيرًا عن بطاريات NMC وNCA.

إذا كانت تكلفة البطارية تمثل عمومًا ما يقرب من نصف التكلفة الإجمالية للسيارة الكهربائية بالنسبة للشركة المصنعة، فإن استخدام بطارية LFP أمر منطقي. في الواقع، تشير التقديرات إلى ذلكخفض التكاليف لكل كيلوواط ساعة بحوالي 30 إلى 40% للمصنعين الذين يستخدمون بطاريات LFPبدلاً من NMC أو NCA إذا أردنا أن نصدقتصريحات فورد.

وهكذا، باستخدام بطارية تبلغ حوالي 60 كيلوواط ساعة في أنظام الدفع تسلا موديل Yأو أإم جي 4، عندما يكون الهدف هو تقديم سيارة بسعر معقول، يصبح من الضروري تقريبًا استخدام بطارية LFP. ولكن ما هي عيوب هذه التكنولوجيا؟

عيوب بطاريات LFP

أولاً،كثافة الطاقة أقل أهمية من البطاريات التي تستخدم الكوبالت. على سبيل المثال، علىتسلا موديل 3، بطارية إصدار Propulsion هي 60 كيلووات في الساعة LFP، حيث تبلغ بطارية إصدار Long Autonomy 79 كيلووات في الساعة NCA.في حين أن بطارية LFP تحتوي على 75% فقط من طاقة بطارية NCA، فإن الوزن الإجمالي للمركبة أقل بنسبة 5% فقط.

نظرًا لأنه عند الطاقة المكافئة، تكون بطاريات LFP أثقل،يتأثر الأداء حتما. وهذا هو السبب وراء قيام معظم الشركات المصنعة بحجز بطاريات LFP لنماذجها ذات المستوى المبدئي عند توفرها، أو للمركبات التي لا تهدف إلى التغلب على سجلات التسارع.

سيواجه مستخدمو السيارات الكهربائية الذين يعيشون في مناخات شديدة البرودة صعوبة في الشعور بالرضا عن بطاريات LFP مقارنة ببطاريات NMC أو NCA، لأن أداء بطاريات LFP في الطقس البارد أقل بكثير. عالميًا،القول المأثور بأن "LFPs لا تحب البرد" هو أمر واقعي تمامًاسواء في الاستخدام الحالي أو فيشحن سريع كما أظهر فورد. علاوة على ذلكإحدى نقاط القوة في Teslas التي تستخدم بطاريات LFP: يتم التسخين التلقائي للبطارية عندما تكون الوجهة شاحن سريع، وهذا أمر ضروري.

ما هي مزايا بطاريات LFP؟

إذا فازت بطاريات NMC وNCA من حيث الأداء وكثافة الطاقة، فإن بطاريات LFP لا تزال تتمتع بالعديد من المزايا للشركة المصنعة وللعميل النهائي. بالفعل،طول عمر البطاريةLFP هو أكثر أهمية بكثيرمن بطاريات NMC وNCA، حيث تقدر الدراسات ذلكيبلغ عدد دورات التفريغ لخلايا LFP ما يقرب من أربعة أضعاف عدد خلايا NMC أو NCA قبل أن تتوقف عن العمل.

عندما تقدم الشركات المصنعة ضمانا يصلفي بعض الأحيان ثماني سنوات ومليون كيلومتربالنسبة للبطاريات، فإن استخدام خلايا LFP يضمن عدم حصولها على قدر كبير جدًا من تغطية الضمان خلال هذه الفترة، نظرًا لأن البطاريات تدوم بمرور الوقت أفضل بكثير.تعد بطاريات LFP أيضًا أكثر أمانًا من البطاريات التي تستخدم الكوبالت، مع انخفاض خطر نشوب حريق.

وأخيرًا، حيث يجب أن يكون لبطاريات NMC وNCA حد شحن يومي يصل إلى 90% كحد أقصى في معظم الأوقات،يمكن - أو يجب - إعادة شحن بطاريات LFP إلى 100%. بالنسبة للعميل النهائي، من المثير للاهتمام أن يكون قادرًا على شحن سيارته بنسبة 100% يوميًا في حالة رغبته في استخدام المجموعة بأكملها. لكن الاهتمام الرئيسي هو نظام إدارة البطارية، الذي يحتاج إلى قياس قدرة الخلايا بدقة: عندما تكون كاثودات خالية من الكوبالت، فإن القياس المتكرر للبطارية بنسبة 100٪ فقط يسمح بالحصول على معلومات دقيقة.

أخيرًا، لاحظ أن تطور بطاريات LFP، التي تتضمن المنغنيز، يكتسب شعبية. هذه هي بطاريات LMFP أو LFMP، والتي تجعل من الممكن تحسين كثافة الطاقة لبطاريات LFP بتكلفة أقل، لأن المنغنيز غير مكلف نسبيًا.

إذا كانت بطاريات NMC وNCA وLFP هي تلك التي تمثل جميع السيارات الكهربائية تقريبًا اليوم، فإن تقنيات بطاريات الليثيوم أيون الجديدة تتم دراستها حاليًا: البطاريات الصلبة وشبه الصلبة بالإضافة إلى بطاريات الصوديوم التي ستصل إلى السيارات في عام 2023.

البطاريات الصلبة وشبه الصلبة

تعد بطاريات الحالة الصلبة تقدمًا تكنولوجيًا كبيرًا في عالم بطاريات أيونات الليثيوملقد خصصنا مؤخرًا ملفًا كاملاًعلى ما يسمح به هذا للمصنعين. مبدأ البطاريات الصلبة أو شبه الصلبة هو كما يلي: على عكس بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، لا يوجد محلول إلكتروليتي، ولكن يحل محله مركب غير عضوي صلب. لم تعد الأيونات تتحرك من القطب الموجب إلى الكاثود عند تسخين السائل، مما يحد بشكل كبير من احتمالية نشوب حريق.

لذا،توفر بطاريات الحالة الصلبة أمانًا أكبر بكثير من بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة حتى الآن. الفائدة التي تأتي من هذا الأمان المتزايد هي تحسين كثافة الطاقة. في الواقع، العديد من الأجهزة الموجودة في نظام إدارة بطاريات الليثيوم أيون السائلة لمنع مخاطر الحريق تصبح عديمة الفائدة على البطاريات الصلبة، مما يحرر قدرًا كبيرًا من المساحة داخل حزمة البطارية.

مع وجود عدة آلاف من الخلايا في بعض الأحيان تحتوي كل منها على مكونات مصنعة خصيصًا لمنع خطر نشوب حريق، فإن تحرير كل هذه المساحة يسمح بـالمركبات المجهزة ببطاريات صلبة لعرض نطاقات تتجاوز بسهولة نطاقات بطاريات الليثيوم أيون السائلة.

إذا كانت بطاريات الحالة الصلبة تمثل اليوم ما نتصور أنه الأفضل للسيارات الكهربائية في المستقبل، فإنها لا تزال مكلفة نسبيًا في الإنتاج وهي في مرحلة التطوير، مما يحد من استخدامها في مركبات الإنتاج الضخم في الوقت الحالي.

ثم تبحث بعض الشركات المصنعة في البطاريات شبه الصلبة، التي يكون إلكتروليتاتها سائلة دائمًا، ولكنها لا تستخدم مادة رابطة، مما يجعل من الممكن تقديم كثافة طاقة أفضل بكثير. يمكننا أن نستشهد على وجه الخصوص بالشركة المصنعة الصينية Nio، التي تستخدم بالفعل بطاريات شبه صلبة في منتجاتهاET7 تحمل بطاريات بقدرة 150 كيلووات في الساعة.

على الرغم من الثورية،لا تزال البطاريات الصلبة وشبه الصلبة تستخدم عنصرًا محل جدل: الليثيوم. لكننا سنرى أن هناك بديلا موجودا، للسماح للمصنعين بتسليط الضوء على أكبر ميزتين للسيارات الكهربائية: التكلفة والأثر البيئي.

بدائل الليثيوم: الصوديوم

تشترك جميع تقنيات البطاريات المذكورة أعلاه في شيء واحد: استخدام الليثيوم. يتواجد الليثيوم بشكل عام بكميات كبيرة (عدة كيلوغرامات لحزمة البطارية)، ويظل عنصرًا محل جدل بين عمالقة هذا القطاع. بالفعل،يتم استخراج الليثيوم بشكل رئيسي في أستراليا وتشيلي(حوالي 70% من الإنتاج العالمي)، بعيداً عن مصانع تصنيع البطاريات.

ولذلك من الضروري نقل الليثيوم المستخرج لمسافة آلاف الكيلومترات، مما يزيد بشكل كبير من البصمة الكربونية لبطارية السيارة الكهربائية. بالإضافة إلى،يمكن أن يكون لظروف تعدين الليثيوم تأثير سلبي على البيئةقريب بسبب إمدادات المياه اللازمة لصناعات التعدين.

هناك عنصر أكثر شيوعًا على هذا الكوكب يمكن أن يسمح للصناعة بذلكابتعد عن اعتمادك على الليثيوم: الصوديوم. بالفعل،بدأت بطاريات أيونات الصوديوم في الظهور، ولا يختلف تشغيلها كثيرًا عن بطاريات الليثيوم أيون. يستخدم التركيب الكيميائي للكاثود والأنود دائمًا معادن مختلفة (الألومنيوم والمنغنيز وما إلى ذلك)، ويتضمن أيضًا الصوديوم الذي يحل محل الليثيوم.

الميزة الرئيسية لبطاريات أيون الصوديوم للمصنعين هي الماليةونظرًا لوفرة الصوديوم على الكوكب، فإن استغلاله غير مكلف للغاية. وتشير التقديرات إلى أن الصوديوم يفوق توافره ما بين ثلاثمائة وألف مرة الليثيوم، ويوجد الصوديوم في أشكال عديدة (في مياه البحر، أو على شكل كلوريد الصوديوم).

حتى لوكثافة الطاقة لبطاريات أيونات الصوديوم أقل من الأنواع الأخرى من البطاريات، وقد بدأت في طرحها في الأسواق. حاليًا، هناك سيارتان كهربائيتان مزودتان ببطاريات الصوديوم في الصين. إنه على وشكسيارة كهربائية صممتها شركة تصنيع تابعة لشركة رينو، وكذلك أسيارة صينية مصممة بالتعاون مع شركة فولكس فاجن.

توفر بطاريات الليثيوم أيون اليوم ما يصل إلى ضعف كثافة بطاريات أيون الصوديوم، ولكن من المتوقع أن تتحسن هذه الكثافة. في الوقت الحالي، يقتصر الصوديوم على السيارات الكهربائية الصغيرة التي لا تعلن عن نطاقاتها الثورية.

ما هي أفضل بطارية السيارة الكهربائية؟

إن البحث عن البطارية المثالية للسيارة الكهربائية لم ينته بعد، كما رأينا. توجد كيمياء مختلفة في الإنتاج الضخم اليوم، والتي تستخدم الكوبالت في بعض الأحيان، وفي أحيان أخرى تتجاهله.

من أجل خفض التكاليف، تسمح بطاريات LFP للشركة المصنعة بتقديم مركبات أقل تكلفة، ولكنها لا تستطيع تحقيق أداء بطاريات NMC أو NCA.

يبدو أن بطاريات الحالة الصلبة هي ما ينتظره الكثيرون، سواء من حيث الأداء أو الاستقلالية أو السلامة، ولكنها ليست جاهزة بعد للإنتاج الضخم. قد يحمل لنا المستقبل مفاجآت، لا سيما بفضل بطاريات أيونات الصوديوم التي يمكن أن تسمح للعديد من البلدان بالهروب من اعتمادها على الليثيوم.

للذهاب أبعد من ذلك
هل أكبر التحيزات حول السيارات الكهربائية لها ما يبررها؟

نراكم كل يوم أربعاء على Twitch، من الساعة 5 مساءً حتى الساعة 7 مساءً، للمتابعة المباشرةالعرض Survoltésمن إنتاج فراندرويد. سيارة كهربائية، دراجة كهربائية، نصيحة الخبراء، ألعاب أو شهادات، هناك شيء للجميع!