Loading AI tools
من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
بطارية المركبة الكهربائية هي بطارية قابلة للشحن تستخدم في تزويد المحركات الكهربائية بالطاقة في المركبات الكهربائية الخالصة أو الهجينة.
إن أكثر أنواع بطاريات المركبات الكهربائية انتشاراً هي بطاريات أيونات الليثيوم وبطارية بوليمرات الليثيوم؛ بالإضافة إلى بطارية النيكل والكادميوم وبطارية النيكل وهيدريد الفلز؛ وبشكل أقل بطارية الزنك والهواء وبطارية مصهور الملح.[1] يمثل الليثيوم المعدن الأكثر أهمية في صناعة بطاريات السيارات الكهربائية، إذ تبلغ حصته نحو 65% من إجمالي المعادن المستخدمة في تلك الصناعة.[2]
تزداد شعبية بطارية فوسفات الليثيوم الحديدية (LFP) حيث وصلت إلى حصة سوق عالمية بنسبة 41٪ من حيث السعة للسيارات الكهربائية بالكامل في عام 2023. تتميز هذه البطاريات بأنها أثقل ولكنها أرخص وأكثر استدامة. في الوقت نفسه، تستخدم أولى سيارات الركاب التجارية بطارية أيونات الصوديوم (Na-ion) لتجنب الحاجة إلى المعادن الأساسية تمامًا.[3] تشكل البطارية جزءًا كبيرًا من تكلفة وتأثير السيارة الكهربائية على البيئة. أدى النمو في هذه الصناعة إلى الاهتمام بتأمين سلاسل توريد البطاريات، وهو ما يطرح العديد من التحديات وأصبح قضية جيوسياسية مهمة. اعتبارًا من ديسمبر 2019، انخفضت تكلفة بطاريات السيارات الكهربائية بنسبة 87٪ منذ عام 2010 على أساس كل كيلووات في الساعة.[4]
تجاوز طلب بطاريات السيارات الكهربائية 750 جيجاوات في الساعة في عام 2023. تتمتع بطاريات السيارات الكهربائية بسعة أكبر بكثير من بطاريات السيارات المستخدمة للتشغيل والإضاءة والاشتعال في السيارات التي تعمل بالاحتراق. بلغ متوسط سعة بطارية طرازات السيارات الكهربائية المتوفرة من 21 إلى 123 كيلووات في الساعة في عام 2023 بمتوسط 80 كيلووات في الساعة.[5][6]
اعتبارًا من عام 2024، تهيمن بطارية الليثيوم أيون مع الأنواع الفرعية بطارية أكاسيد الكوبالت والمنغنيز والنيكل والليثيوم وبطارية فوسفات الحديد والليثيوم وبطارية أكاسيد الألومنيوم والنيكل والليثيوم والكوبالت [الإنجليزية] على سوق السيارات الكهربائية بالكامل. وصل إجمالي القدرة الإنتاجية العالمية في عام 2023 إلى ما يقرب من 2000 جيجاوات في الساعة مع استخدام 772 جيجاوات في الساعة للسيارات الكهربائية في عام 2023. يتركز معظم الإنتاج في الصين حيث ارتفعت القدرات بنسبة 45٪ في تلك السنة. بفضل كثافة الطاقة العالية وعمر الدورة الطويل، أصبحت بطاريات الليثيوم أيون النوع الرائد للبطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية. طُورت وسُوقت في البداية للاستخدام في أجهزة الحاسوب المحمولة والإلكترونيات الاستهلاكية. تستخدم السيارات الكهربائية الحديثة أشكالًا جديدة على كيمياء الليثيوم أيون تتخلى عن طاقة محددة وقوة محددة لتوفير مقاومة للحريق وصديقة للبيئة وشحن سريع وعمر أطول. وقد ثبت أن هذه الأنواع الفرعية لها عمر افتراضي أطول بكثير.[7]
أكاسيد الكوبالت والمنغنيز والنيكل والليثيوم | فوسفات الحديد والليثيوم | أكاسيد الألومنيوم والنيكل والليثيوم والكوبالت | أيونات الصوديوم | بطارية الرصاص | |
---|---|---|---|---|---|
الحصة السوقية العالمية لمركبات الكهربائية بالكامل[8] | 59% | 40% | 7% | <1% (امكانية عالية) | لا يوجد بيانات |
كثافة الطاقة لكل طن | 150-275 كيلوواط/ساعة
150-220 كيلوواط/ساعة 165 كيلوواط/ساعة (معدل مبيعات 2023) |
80-150 كيلوواط/ساعة
210 90-160 كيلوواط/ساعة 135 كيلوواط/ساعة (معدل مبيعات 2023) |
200-260 كيلوواط/ساعة | 140-160 كيلوواط/ساعة [11] | 35 كيلوواط/ساعة[12] |
توقعات كثافة الطاقة[13][14] | 300 كيلوواط/ساعة | 260 كيلوواط/ساعة | >200 كيلوواط/ساعة | ||
السعر لكل كيلوواط في الساعة[15][16] | 139$
130$ |
70$
105$ |
120$ | 80-120€
87$ |
65-100$ |
توقعات الأسعار[17][18] | 80$ (2030) | 36$ (2025) | <40€ (2035)
40-80$ (2034) 8-10$ |
||
الدورات (الحالة 80%)[19] | 1500 - 5000 | 3000 - 7000 | 4000 - 5000 | 200 - 1500 | |
قابلية كبيرة للاشتعال | نعم | لا | متوسطة | لا | نعم |
نطاق درجة حرارة[8] | متوسط
(مناخ بارد) |
عالي
(مناخ حار) |
عالي | متوسط | |
الأنتاج | >67% الصين | 100% الصين |
تُعد أكاسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت (Lithium nickel manganese cobalt oxides) مواد عالية الأداء وأصبحت المعيار العالمي في إنتاج السيارات الكهربائية بالكامل منذ عام 2010. من ناحية أخرى، يؤدي استغلال المعادن المطلوبة إلى مشاكل بيئية. تشمل عيوب هذه البطاريات التقليدية الحساسية لدرجة الحرارة، وأداء ضعيف للطاقة في درجات الحرارة المنخفضة، وتدهور الأداء مع تقدم العمر. نظرًا لتقلب المنحلات الكهربائية العضوية، ووجود أكاسيدات المعادن المؤكسدة بشدة، وعدم الاستقرار الحراري لطبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب للأنود، فإن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية تشكل خطرًا على السلامة من الحرائق في حالة ثقبها أو شحنها بشكل غير صحيح. لم تقبل الخلايا الأولى الشحن أو تمدده بالطاقة عندما تكون باردة جدًا. يمكن استخدام آلية تسخين في بعض المناخات لتدفئتها. ومع ذلك، هناك بعض المخاطر المرتبطة بهذا النوع من تقنية البطاريات.[20][21]
تتمتع بطارية فوسفات الليثيوم الحديدي بمدى قصير ولكنها أرخص وأكثر أمانًا واستدامة من بطارية الليثيوم-نيكل والمنغنيز والكوبالت. لا تتطلب المعادن الأساسية المنغنيز والكوبالت. منذ عام 2023، أصبحت بطارية فوسفات الحديد والليثيوم التكنولوجيا الرائدة في الصين بينما تظل حصة السوق في أوروبا وأمريكا الشمالية أقل من 10%. يُعد هذه البطارية النوع السائد في تخزين طاقة الشبكة.[22]
بطاريات تيتانات الليثيوم [الإنجليزية] أو أكسيد الليثيوم والتيتانيوم معروفة بمستوى السلامة العالي فيها، حيث تقلل من خطر الانفلات الحراري وتعمل بفعالية في نطاق واسع من درجات الحرارة. تتميز هذه البطاريات بعمر دورة مثير للإعجاب، غالبًا ما يتجاوز 10,000 دورة شحن وتفريغ. كما تتمتع بقدرات شحن سريعة بسبب قبولها الشحن العالي. ومع ذلك، فإن لديها كثافة طاقة أقل مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون الأخرى.[23][24]
تتجنب بطارية أيونات الصوديوم تماماً المواد النادرة. وبسبب التوفر العالي للصوديوم الموجود في مياه البحر، فإن توقعات التكلفة منخفضة. وفي أوائل عام 2024، بدأت العديد من الشركات المصنعة الصينية بتسليم أولى طرازاتها. ويرى المحللون إمكانية عالية لهذا النوع خاصة للاستخدام في السيارات الكهربائية الصغيرة والدراجات ومركبات ثلاث عجلات.[25][26]
هناك عدة أنواع قيد التطوير.
في القرن العشرين، استخدمت معظم السيارات الكهربائية بطارية الرصاص مغمورة بسبب تقنيتها الناضجة وتوفرها العالي وتكلفتها المنخفضة. وقد زودت البطاريات الرصاصية الحمضية السيارات الكهربائية الحديثة المبكرة مثل الإصدارات الأصلية لعام 1996 من جنرال موتورز اي في 1 [الإنجليزية] بالطاقة. هناك نوعان رئيسيان من البطاريات الرصاصية الحمضية: بطاريات تشغيل محرك السيارة، والبطاريات الدورية العميقة [الإنجليزية] التي توفر الكهرباء المستمرة لتشغيل المركبات الكهربائية مثل الرافعات الشوكية أو عربات الجولف. كما تُستخدم البطاريات الدورية العميقة كبطاريات مساعدة في المركبات الترفيهية، ولكنها تتطلب شحنًا متعدد المراحل مختلفًا. قد يؤدي التفريغ إلى أقل من 50٪ إلى تقصير عمر البطارية. تتطلب البطاريات المغمورة فحص مستويات الإلكتروليت والاستبدال الدوري للمياه، والتي تتبخر أثناء دورة الشحن العادية. تتمتع السيارات الكهربائية المزودة ببطاريات رصاصية حمضية بمدى يصل إلى 130 كم (81 ميلًا) لكل شحنة.[29][30]
تُعتبر بطاريات النيكل وهيدريد فلز تقنية ناضجة. وعلى الرغم من أنها أقل كفاءة (60-70%) في الشحن والتفريغ مقارنة حتى ببطارية الرصاص، إلا أنها تمتلك طاقة نوعية أعلى تبلغ 30-80 وات/كيلوجرام. وعندما تُستخدم بشكل صحيح، يمكن لبطاريات النيكل وهيدريد فلز أن تتمتع بعمر افتراضي طويل بشكل استثنائي، كما يتضح من استخدامها في السيارات الهجينة وفي سيارات تويوتا راف 4 اي في التي لا تزال تعمل بشكل جيد بعد قطع مسافة 100,000 ميل (160,000 كيلومتر) وأكثر من عقد من الخدمة. وتشمل الجوانب السلبية دورات الشحن الدقيقة والأداء الضعيف في الطقس البارد. أنتجت شركة جنرال موتورز أوفونيك بطارية النيكل وهيدريد فلز المستخدمة في الجيل الثاني من سيارة اي في 1. وقد وفرت نماذج سيارات النيكل وهيدريد فلز الكهربائية ما يصل إلى 200 كيلومتر (120 ميل) من المدى.[31][32]
استُخدمت بطارية كلوريد الصوديوم والنيكل أو "بطارية الزيبرا" في السيارات الكهربائية المبكرة بين عامي 1997 و2012. وهي تستخدم ملح كلوروألومينات الصوديوم المنصهر (NaAlCl4) كإلكتروليت. ولها طاقة نوعية تبلغ 120 وات ساعة/كيلوجرام. وبما أن البطارية يجب تسخينها للاستخدام، فإن الطقس البارد لا يؤثر بشكل كبير على تشغيلها باستثناء زيادة تكاليف التدفئة. يمكن أن تدوم بطاريات الزيبرا لآلاف دورات الشحن وهي غير سامة. تشمل عيوب بطارية الزيبرا ضعف القدرة النوعية (<300 وات/كيلوجرام) والحاجة إلى تسخين الإلكتروليت إلى حوالي 270 درجة مئوية (518 درجة فهرنهايت)، مما يضيع بعض الطاقة، ويسبب صعوبات في تخزين الشحن على المدى الطويل، ويشكل خطراً محتملاً.[33]
الأنواع الأخرى من البطاريات القابلة للشحن استخدمت في السيارات الكهربائية المبكرة تشمل:
سلسلة CTx:
في المرحلة الأولى، تُعدن المواد الخام في مناطق مختلفة من العالم. تسيطر الصين حاليًا على جميع الخطوات التالية. بعد أن تقوم مصانع المعالجة الأولية بتكرير المواد، تشتريها شركات تصنيع البطاريات وتصنع البطاريات وتجمعها في حزم. تشتري شركات تصنيع السيارات هذه الحزم وتثبتها في السيارات.[37]
يوجد بشكل أساسي ثلاث مراحل خلال عملية تصنيع بطاريات السيارات الكهربائية: تصنيع المواد، وتصنيع الخلية، والتكامل، كما هو موضح في الرسم البياني لعملية تصنيع بطاريات السيارات الكهربائية بالألوان الرمادي والأخضر والبرتقالي على التوالي. لا تتضمن هذه العملية المعروضة تصنيع أجهزة الخلية، أي الأغلفة وجامعي التيار. خلال عملية تصنيع المواد، تُخلط المادة النشطة والإضافات الموصلة والرابط البوليميري والمذيب أولاً. بعد ذلك، تُطلى على جامعي التيار استعدادًا لعملية التجفيف. خلال هذه المرحلة، تعتمد طرق صنع المواد النشطة على القطب والكيمياء.
تستخدم الكاثودات في الغالب أكاسيد فلزات انتقالية، أي أكاسيد ليثيوم نيكل منجنيز كوبالت (Li-NMC)، أو فوسفاتات ليثيوم معدنية، أي فوسفاتات ليثيوم الحديد (LFP). المادة الأكثر شيوعًا للأقطاب السالبة هي الجرافيت. ومع ذلك، في الآونة الأخيرة، بدأت العديد من الشركات في صنع أنود مختلط بالسيليكون وأنود ليثيوم معدني.
بشكل عام، لإنتاج المواد النشطة، هناك ثلاث خطوات: إعداد المواد، ومعالجة المواد، والتكرير. في مرحلة تصنيع الخلية، يُعالج القطب المُعدّ للشكل المطلوب للتغليف في شكل أسطواني أو مستطيل أو كيس. ثم بعد ملء الشوارد وإغلاق الخلايا، تُدور خلايا البطارية بعناية لتشكيل طبقة واقية على القطب السالب. بعد ذلك، تُجمع هذه البطاريات في حزم جاهزة لدمجها في السيارة.[38]
عندما تتدهور مجموعة بطاريات السيارة الكهربائية إلى 70٪ إلى 80٪ من سعتها الأصلية، تُعرّف بأنها قد وصلت إلى نهاية عمرها الافتراضي. إحدى طرق إدارة النفايات هي إعادة استخدام المجموعة. من خلال إعادة توجيه المجموعة للتخزين الثابت، يمكن استخراج قيمة أكبر من مجموعة البطاريات مع تقليل تأثير دورة الحياة لكل كيلو وات ساعة. يحدث التدهور غير المتساو وغير المرغوب فيه للبطارية أثناء تشغيل السيارة الكهربائية اعتمادًا على درجة الحرارة أثناء التشغيل وأنماط الشحن/التفريغ. يمكن أن تتدهور كل خلية بطارية بشكل مختلف أثناء التشغيل. حاليًا، يمكن استخراج معلومات حالة الصحة (SOH) من نظام إدارة البطارية (BMS) على مستوى المجموعة ولكن ليس على مستوى الخلية. يمكن للمهندسين التخفيف من التدهور من خلال هندسة نظام إدارة الحرارة من الجيل التالي. يمكن استخدام التحليل الطيفي للعزل الكهربائي (EIS) لضمان جودة مجموعة البطاريات.[39][40]
إن تفكيك الوحدات والخلايا عملية مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً. يجب تفريغ الوحدة بالكامل. ثم يجب تفكيك العبوة وإعادة تكوينها لتلبية متطلبات الطاقة والقدرة للتطبيق الثاني للحياة. يمكن لشركة إعادة التأهيل بيع أو إعادة استخدام الطاقة المُفرغة من الوحدة لتقليل تكلفة هذه العملية. تُستخدم الروبوتات لزيادة سلامة عملية التفكيك.[41]
تُعد تقنية البطاريات غير شفافة وتفتقر إلى المعايير. نظرًا لأن تطوير البطاريات هو الجزء الأساسي من السيارات الكهربائية، فمن الصعب على الشركة المصنعة وضع علامة على التركيب الكيميائي الدقيق للكاثود والأنود والإلكتروليتات على العبوة. بالإضافة إلى ذلك، تتغير السعة وتصميم الخلايا والعبوات سنويًا. تحتاج شركة إعادة التأهيل إلى العمل عن كثب مع الشركة المصنعة للحصول على تحديث في الوقت المناسب لهذه المعلومات. من ناحية أخرى، يمكن للحكومة وضع معيار للوضع.
أخيرًا، انخفضت تكاليف البطاريات بشكل أسرع مما كان متوقعًا. قد تكون الوحدة المُجددة أقل جاذبية من البطاريات الجديدة بالنسبة للسوق. ومع ذلك، كانت هناك العديد من النجاحات في تطبيق الحياة الثانية كما هو موضح في أمثلة مشاريع التخزين باستخدام بطاريات السيارات الكهربائية في الحياة الثانية. تُستخدم هذه البطارية في تطبيق التخزين الثابت الأقل تطلبًا مثل تسوية الذروة أو التخزين الإضافي للمصادر المولدة القائمة على الطاقة المتجددة.[39]
على الرغم من أنه يمكن تمديد عمر بطارية السيارة الكهربائية من خلال تمكين تطبيق حياة ثانية، إلا أنه في النهاية يتعين إعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية. إن قابلية إعادة التدوير ليست حاليًا اعتبارًا تصميميًا مهمًا بالنسبة لمصنعي البطاريات، وفي عام 2019 لم يُعاد تدوير سوى 5% من بطاريات السيارات الكهربائية. ومع ذلك، فإن إغلاق الحلقة أمر بالغ الأهمية. ليس فقط بسبب التوقع المستقبلي لتشديد إمدادات النيكل والكوبالت والليثيوم، بل أيضًا لأن إعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية لديها القدرة على زيادة الفائدة البيئية إلى أقصى حد. وتوقع شو وآخرون أنه في سيناريو التنمية المستدامة، سيصل الليثيوم والكوبالت والنيكل إلى أو يتجاوز كمية الاحتياطيات المعروفة في المستقبل إذا لم يُضع نظام إعادة تدوير. ووجد سييز وويتاكر أنه من خلال نشر إعادة تدوير البطاريات يمكن تجنب بعض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من التعدين.[42]
تفتقر تقنيات السيارات الكهربائية إلى إطار عمل إعادة تدوير ثابت في العديد من البلدان، مما يجعل استخدام السيارات الكهربائية ومعدات كهربائية أخرى تعمل بالبطارية استهلاكًا كبيرًا للطاقة، مما يؤدي في النهاية إلى زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون - خاصة في البلدان التي تفتقر إلى موارد الطاقة المتجددة.[43]
هناك العديد من الجهود المبذولة حول العالم لترويج تطوير ونشر تقنيات إعادة التدوير. في الولايات المتحدة، أنشأت مكاتب تقنيات المركبات التابعة لوزارة الطاقة (VTO) جهدين يستهدفان الابتكار وإمكانية تطبيق عمليات إعادة التدوير. يجلب مركز إعادة تدوير الليثيوم ثلاث جامعات وثلاثة مختبرات وطنية معًا لتطوير تقنيات إعادة تدوير مبتكرة وفعالة. وعلى وجه الخصوص، طُورت طريقة إعادة تدوير الكاثود المباشر من قبل مركز (ReCell). من ناحية أخرى، أنشأت مكاتب تقنيات المركبات التابعة لوزارة الطاقة أيضًا جائزة إعادة تدوير البطاريات لتشجيع رواد الأعمال الأمريكيين على إيجاد حلول مبتكرة لحل التحديات الحالية.[44]
تساعد إعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية على استعادة المواد القيمة مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل والعناصر الأرضية النادرة، مما يقلل من الحاجة إلى التعدين الجديد ويحافظ على الموارد الطبيعية ويقلل من البصمة البيئية المرتبطة بإنتاج البطاريات من خلال تقليل تأثيرات التعدين واستهلاك الطاقة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
لفهم أعمق لدورة حياة بطاريات السيارات الكهربائية، من المهم تحليل الانبعاثات المرتبطة بالمراحل المختلفة. باستخدام خلايا نيكل ومغنيسوم وكوبالت الأسطوانية كمثال، وجد سييز وويتاكر أنه يُطلق حوالي 9 كجم من ثاني أكسيد الكربون المكافئ لكل كيلوغرام بطارية خلال مرحلتي ما قبل معالجة المواد الخام وتصنيع البطارية تحت متوسط شبكة الكهرباء الأمريكية. جاء أكبر جزء من الانبعاثات من إعداد المواد، حيث تمثل أكثر من 50% من الانبعاثات. إذا اُستخدمت خلية نيكل ومغنيسوم وكوبالت من نوع الكيس، فإن إجمالي الانبعاثات يرتفع إلى حوالي 10 كجم من ثاني أكسيد الكربون المكافئ لكل كيلوغرام بطارية، في حين أن تصنيع المواد لا يزال يساهم بأكثر من 50% من الانبعاثات. خلال مرحلة إدارة نهاية العمر الافتراضي، تضيف عملية إعادة التأهيل انبعاثات قليلة إلى انبعاثات دورة الحياة. من ناحية أخرى، فإن عملية إعادة التدوير، كما اقترحها سييز وويتاكر، تطلق كمية كبيرة من غازات الدفيئة. كما هو موضح في مخطط انبعاثات إعادة تدوير البطارية أ و ج، فإن انبعاثات عملية إعادة التدوير تختلف مع عمليات إعادة التدوير المختلفة، والكيمياء المختلفة، وعامل الشكل المختلف. وبالتالي، فإن صافي الانبعاثات المتجنبة مقارنة بعدم إعادة التدوير يختلف أيضًا مع هذه العوامل. في لمحة، كما هو موضح في الرسم البياني ب ود، فإن عملية إعادة التدوير المباشر هي العملية المثالية لإعادة تدوير بطاريات الخلايا الكيسية، بينما تعتبر العملية الهيدرومعدنية هي الأنسب للبطاريات من النوع الأسطواني. ومع ذلك، مع وجود اعمدة الخطأ كما هو موضح، لا يمكن اختيار أفضل نهج بثقة. ومن الجدير بالذكر أنه بالنسبة لكيمياء فوسفات الليثيوم والحديد (LFP)، تكون الفائدة الصافية سلبية. نظرًا لعدم احتواء هذه الخلايا على الكوبالت والنيكل اللذين يعد إنتاجهما مكلفًا ومستهلكًا للطاقة، فإن التعدين يكون أكثر كفاءة من الناحية الطاقة. بشكل عام، بالإضافة إلى تعزيز نمو قطاع واحد، يجب وضع جهد أكثر تكاملاً لتقليل انبعاثات دورة حياة بطاريات السيارات الكهربائية. يمكن أن يبرر إجمالي العرض المحدود للمواد الأرضية النادرة الحاجة إلى إعادة التدوير. ولكن الفائدة البيئية لإعادة التدوير تحتاج إلى تدقيق أكثر. استنادًا إلى تقنية إعادة التدوير الحالية، تعتمد الفائدة الصافية لإعادة التدوير على عوامل الشكل والكيمياء وعملية إعادة التدوير المختارة.[45]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.