في كل المناقشات الدائرة حول المركبات الكهربائية، من السهل أن نغفل عن حقيقة مذهلة ولكنها مهمة - وهي أننا ما زلنا في الأيام الأولى من ظهور نظام نقل الحركة في المركبات الكهربائية.
لنأخذ تشبيهًا بالهاتف المحمول. هواتف موتورولا الأصلية "التقليدية" من منتصف الثمانينيات كانت تزن كيلوغرامًا تقريبًا، وتستغرق شحنها عشر ساعات، ولا يمكنك التحدث إلا لنصف ساعة تقريبًا قبل أن تنفد بطاريتها.
يزن هاتف iPhone 15 أقل من ربع كيلوغرام، ويُشحن بالكامل من وضع السكون في ساعة ونصف، وقد أظهرت بعض الاختبارات أنه سيُمكّنك من التحدث لمدة 25 ساعة متواصلة تقريبًا. كما يتميز بقوة حوسبة هائلة، وإمكانية الوصول الفوري إلى جميع معلومات العالم، وإمكانية تصوير غداءك بدقة بكسل فائقة وفيديو بدقة 4K، بالإضافة إلى إمكانية بث أحدث أفلام Deadpool.
حسنًا، لقد مرّ أربعون عامًا، لكنك فهمت الفكرة. ولا تنسَ أن التقدم التكنولوجي يتسارع بشكل كبير في الوقت الحاضر.
بطاريات الليثيوم أيون ستصبح أفضل
تسيطر بطاريات الليثيوم أيون حاليًا على سوق السيارات الكهربائية، ولكنها تعتمد على معادن نادرة يتم استخراجها من الأرض من خلال عمليات تعدين مكلفة ومدمرة، وتثقل مركباتنا، ويمكن أن تتدهور على مر السنين، وتستغرق وقتًا طويلاً للشحن، وتستخدم إلكتروليتات قابلة للاشتعال، وهي عرضة للحرائق الحرارية إذا تعرضت للتلف.
خلال أربعين عامًا، يمكنك أن تتخيل المهندسين يتساءلون عن سبب استخدامنا لأجهزة تخزين طاقة بدائية كهذه. ومع ذلك، فقد شهدت تحسينات. في عام ٢٠١٠، كانت كثافة طاقة بطاريات أيون الليثيوم حوالي ١٥٠ واط/كجم، وهي الآن ضعف ذلك تقريبًا - مما يعني طاقة مخزنة أكبر، ما يعني قوة أكبر ومدى قيادة أكبر.
لدينا بالفعل مركبات قادرة على قطع مسافة 500 كيلومتر أو أكثر بشحنة واحدة، مقارنةً بـ 150 كيلومترًا فقط قبل عقد من الزمن، كما أن أوقات الشحن عادةً ما تنخفض إلى حوالي 30 دقيقة. في الوقت نفسه، ساهمت التطورات في كيمياء البطاريات وبنيتها وغلافها في جعل بطاريات أيونات الليثيوم أكثر أمانًا ومتانة.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تطوير أنودات السيليكون لتحل محل أنودات الجرافيت، لأنها تتميز بقدرة أكبر بكثير على تخزين أيونات الليثيوم الفعلية، نظريا تصل إلى 10 مرات أكثر!
لا شك أن هذه البطاريات ستشهد تحسينات هائلة خلال الأشهر والسنوات القليلة القادمة. ومع ذلك، في سباق كفاءة البطاريات، ستظهر خيارات جديدة ومثيرة!
الصوديوم متوفر بسهولة في جميع أنحاء العالم. تقنية بطاريات أيون الصوديوم آخذة في الظهور، وهي لا تستخدم معادن أرضية نادرة.
تتميز بطاريات أيون الصوديوم بموارد وفيرة
الصوديوم هو سابع أكثر العناصر وفرةً على الأرض، وهو أرخص! كما أن بطاريات أيونات الصوديوم لا تحتاج إلى الكوبالت أو النيكل (معادن نادرة، يثير استخراجها مخاوف أخلاقية وبيئية).
الشحن أسرع لأن أيونات الصوديوم تتحرك بسرعة أكبر عبر الإلكتروليت، ويُزعم أنه يمكن شحن البطاريات إلى 80% من سعتها في غضون 10-15 دقيقة فقط. كما أنها أكثر استقرارًا حراريًا، مما يقلل من خطر ارتفاع درجة الحرارة والحرائق.
ومع ذلك، فإن كثافة طاقتها أقل من بطاريات أيونات الليثيوم، مما يجعلها أثقل وزنًا وأضخم حجمًا مقارنةً بالطاقة المخزنة، مما قد يعني مدى قيادة أقصر. كما يمكن أن تتقلص دورة حياتها بسبب تحلل مواد الأنود، مثل الكربون الصلب، بشكل أسرع.
ومع ذلك، فإن التقدم المستمر في البحث والتطوير من شأنه أن يحسن المدى والمتانة، وقد دخلت بالفعل أولى السيارات الكهربائية التي تعمل ببطاريات أيون الصوديوم حيز الإنتاج في الصين، والتي تصنعها شركتا Yiwei وJMEV.
عامل في مختبر شركة QuantumScape. الشركة رائدة في مجال بطاريات السيارات الكهربائية ذات الحالة الصلبة.
حالة الشؤون الصلبة
هل تُصبح بطاريات الحالة الصلبة ثورةً في عالم البطاريات؟ فالإلكتروليت الصلب، بدلًا من السائل أو الهلامي، غير قابل للاشتعال، ويُقلل من خطر الحريق. ولذلك، يُمكن صنع الإلكتروليت نفسه من مواد مُختلفة، مثل السيراميك والبوليمرات.
وبالتالي، يمكن أن تكون كثافة الطاقة أعلى بمرتين أو ثلاث مرات، مما يجعل البطارية أصغر حجمًا وأخف وزنًا، ويسمح بمدى قيادة يزيد عن 1,000 كيلومتر بشحنة واحدة! كما يمكن شحنها بشكل أسرع بكثير وتدوم لفترة أطول، فهي أقل عرضة للتلف الذي تعاني منه بطاريات الليثيوم أيون.
يبدو مثاليًا، أليس كذلك؟ حسنًا، المواد وعملية التصنيع أكثر تعقيدًا وتكلفة، وبعض الإلكتروليتات الصلبة قد لا تعمل جيدًا في درجات الحرارة المنخفضة، وهو أمر غير مثالي في يوم شتوي بارد. كما أنها غير متوفرة بعد، ومن المرجح أن يستغرق إنتاجها سنوات لا أشهرًا.
مع ذلك، يتنافس العديد من المصنّعين على الريادة في هذا المجال. ويبدو أن الشركات اليابانية تحديدًا تقود هذا التوجه، حيث وعدت كل من تويوتا وهوندا ونيسان بتقديم تقنية البطاريات الجديدة بحلول عام ٢٠٢٨ على أبعد تقدير. ومن بين الشركات الأخرى فورد وبي إم دبليو وفولكس فاجن التي دعمت شركة كوانتم سكيب الناشئة لطرح بطاريات الحالة الصلبة في السوق.
ومن الممكن أن نبدأ في رؤية هذه البطاريات الجديدة بحلول عام 2026 في بعض السيارات الفاخرة الراقية.
الباقي: من المغنيسيوم إلى الجرافين
تستخدم بطاريات الليثيوم الكبريت كميات كبيرة من الكبريت، مع كثافة طاقة جيدة، ومع ذلك، فإن عمرها الافتراضي أقصر، كما أن تكوين البوليسلفيد يقلل من الكفاءة بمرور الوقت.
يستخدم أيون الألومنيوم الألومنيوم كمصعد. وهو ليس المعدن الأكثر وفرةً فحسب، بل إن بطارياته أقل عرضة لارتفاع درجة الحرارة. لذا، يصعب العثور على إلكتروليت يعمل معه بكفاءة.
تستخدم بطاريات أيونات المغنيسيوم المغنيسيوم كقطب موجب، وهو ذو شحنة موجبة مزدوجة، ويمكنه تخزين طاقة أكبر. هذه المادة متوفرة بكثرة وأكثر أمانًا في الاستخدام، ولكن هناك مشكلة أخرى تتعلق بالإلكتروليتات المتوافقة.
تستخدم بطاريات الجرافين طبقة واحدة من ذرات الكربون، مرتبة في شبكة ثنائية الأبعاد تشبه قرص العسل. تتميز بموصلية كهربائية استثنائية تُمكّن من تحسين سرعات الشحن، إلا أن إنتاج الجرافين مكلف ومعقد.
البطاريات في المعاطف
بينما قد يوحي مفهوم البطاريات في المعاطف بخلايا مُجمّعة في سترات منفوخة، إلا أنه في الواقع يشير إلى طلاءات من مواد متطورة تُطبّق على مكونات البطاريات. صُممت هذه الطلاءات لتعزيز الأداء وطول العمر والسلامة.
في بطاريات أيونات الليثيوم، تحمي هذه المواد الأقطاب الكهربائية من التلف، بينما في بطاريات أيونات الصوديوم، تُثبّت مواد الأقطاب الكهربائية، وتُحسّن التوصيلية، وتُحسّن الاستقرار الحراري. وحتى عند تطبيقها على بطاريات الحالة الصلبة، تُحسّن هذه المواد الواجهة بين الإلكتروليت الصلب والأقطاب الكهربائية، وتُحسّن كثافة الطاقة والسلامة بشكل أكبر.
رغم أنه قد لا يكون من الواضح أي من هذه التقنيات الناشئة ستسود، بل قد يكون هناك أكثر من تقنية تدفع المركبات الكهربائية نحو المستقبل، إلا أن ما هو واضح هو وتيرة التقدم التكنولوجي في أنظمة الدفع بالمركبات الكهربائية. وهذا يدل أيضًا على تحسينات هائلة في المتانة والسلامة وأوقات الشحن ومدى القيادة قريبًا.
