دليل GlobalData لتقنيات توليد القوة الكهربائية المنافسة
البطاريات هي براميل النفط في القرن الحادي والعشرين
على مدى العقد الماضي، تقدمت صناعة البطاريات بالقدر الكافي لتمكين الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية المحمولة، والإنترنت عبر الهاتف المحمول، وأول السيارات الكهربائية، والاعتماد الأولي لتخزين وتوليد الطاقة المتجددة المتقطعة. ونظراً للدور المتسارع والمتوسع الذي تلعبه الطاقة المخزنة في معالجة تغير المناخ، فإنها سوف تصبح واحدة من أهم الصناعات في العالم على مدى السنوات العشر المقبلة.
هل سيكون هناك ما يكفي من البطاريات؟
وبينما أصبحت الحكومات في جميع أنحاء العالم جادة بشأن إزالة الكربون من اقتصاداتها، فإن الطلب على البطاريات الرخيصة والآمنة وعالية الأداء وطويلة الأمد ومنخفضة البصمة الكربونية سوف يرتفع، وخاصة من صناعة السيارات.
ونتيجة لذلك، فإن اختناقات سلسلة التوريد سوف تتجسد خلال العقد المقبل. إن الافتقار إلى المواد الخام منخفضة التكلفة وسهلة التنقية لتغذية مصانع البطاريات العملاقة الحالية والمخططة في العالم هو أكبر تهديد لأمن الإمدادات. علاوة على ذلك، فإن تراجع الاستثمار في مناجم المعادن البالغة الأهمية ــ إلى جانب الأهمية المتزايدة للعوامل البيئية والاجتماعية والحوكمة ــ من شأنه أن يحد من تنمية القدرات الجديدة.
من المحتمل أن يكون هناك نقص عالمي حاد ولكن مؤقت في البطاريات بحلول عام 2025 بسبب الزيادة الحادة في الطلب على السيارات الكهربائية ونقص معادن البطاريات المستخرجة والمكررة. ومع ذلك، تستثمر الصناعة بكثافة لمنع هذا من أن يصبح تهديدًا مستدامًا من خلال تقليل استخدامها للمواد النادرة، وتطوير مواد جديدة وتقنيات البطاريات، والأهم من ذلك، إنشاء صناعة عالمية لإعادة تدوير البطاريات.
ومن ناحية أخرى، تشكل سيطرة الصين على سلسلة التوريد العالمية بأكملها، من المناجم ومصافي التكرير إلى علامات المكونات ومنتجي الخلايا، قضية جيوسياسية متزايدة. تتخذ الولايات المتحدة وأوروبا خطوات مهمة لتقليل الاعتماد على الصين في سلاسل توريد البطاريات بحلول عام 2030. إن إعادة تدوير البطاريات تتعلق بالجيوسياسة بقدر ما تتعلق بالاستدامة البيئية. سيكون اقتصاد البطاريات الدائرية حاسما في تحول الطاقة، ويجب على الدول (والشركات) تطوير إعادة التدوير محليا مع ارتفاع أحجام المركبات الكهربائية وأحجام نهاية عمرها بشكل حاد.
الكيمياء – بعض المبادئ الأساسية
تشمل تقنيات البطاريات العديد من الكيمياء وأنواع الخلايا المختلفة والتقنيات البديلة.
البطارية عبارة عن حاوية تتكون من خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر يتم فيها تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهرباء. يتم استخدامها كمصدر للطاقة. تعتبر البطاريات من العوامل المهمة التي تسهل العديد من التقنيات الأخرى. فهي جزء لا يتجزأ من أنماط الحياة المتنقلة الحديثة والإنتاج الضخم للسيارات الكهربائية (EVs). ستكون تقنيات تخزين البطاريات والطاقة أساسية في التحول إلى الطاقة المتجددة.
هناك نوعان من خلايا البطارية: الخلايا الأولية والخلايا الثانوية.
- تنتج الخلايا الأولية تيارًا كهربائيًا عن طريق تفاعل كيميائي لا رجعة فيه ويشار إليها بالبطاريات التي يمكن التخلص منها.
- تقوم الخلايا الثانوية بإنشاء هذا التيار الكهربائي من خلال تفاعل كيميائي عكسي. ويشار إليها غالبًا بالبطاريات القابلة لإعادة الشحن أو خلايا التخزين.
تعتبر خلية الوقود مصدرًا آخر للطاقة، ولكنها ليست بطارية. تولد البطاريات الطاقة باستخدام المواد الكيميائية الموجودة بداخلها. في المقابل، تستخدم خلية الوقود إمدادًا خارجيًا مستمرًا من الوقود الذي يتدفق عبرها كمصدر للمواد الكيميائية لتوليد الكهرباء. وقد تم استخدام خلايا الوقود في المسابر الفضائية غير المأهولة، والسيارات، والطاقة الاحتياطية في حالات الطوارئ. ومع ذلك، فإن الوقود المستخدم – عادة الهيدروجين – يعتبر خطيرًا جدًا للاستخدام اليومي.
تقوم البطاريات بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية
تقوم البطاريات بتخزين الطاقة الكيميائية وتحويلها إلى طاقة كهربائية من خلال تفاعل كهروكيميائي. وهي تتألف من ثلاثة مكونات رئيسية: القطب الموجب (الكاثود)، والقطب السالب (الأنود)، والكهارل. القطبان مصنوعان من مواد مختلفة. يتم فصل الأقطاب الكهربائية عن بعضها البعض بواسطة فاصل، وهو نصف نافذ لأنواع كيميائية معينة، ويتم وضع البطارية في غلاف.
عند توصيل البطارية بدائرة كهربائية، يحدث تفاعل كهروكيميائي. تتدفق الإلكترونات من القطب الموجب، عبر السلك لتشغيل جهاز متصل، ثم إلى الكاثود.
تحتوي كل خلية بطارية على كمية محدودة من المواد التفاعلية. في النهاية، ستتوقف العمليات الكهروكيميائية داخل البطارية عن إمداد القطب السالب بالإلكترونات، وسيتوقف تدفق الكهرباء. ولهذا السبب، فإن الطاقة المتوفرة في البطارية محدودة.
إعادة شحن
يمكن إعادة شحن البطاريات الثانوية باستخدام مصدر خارجي، مثل الألواح الشمسية، أو توربينات الرياح، أو مكابح السيارات، أو شبكة الكهرباء الرئيسية. أثناء إعادة الشحن، تحدث التفاعلات الكهروكيميائية بشكل عكسي، مما يعيد الخلية ومكوناتها إلى حالتها الأصلية تقريبًا. ومع ذلك، فإن ظواهر مثل تصلب البطارية وتشكل التغصنات تمنع البطاريات من إعادة الشحن لعدد لا نهائي من المرات. يمكن أن تؤدي التشعبات إلى ماس كهربي خطير، على الرغم من أنه يتم تطوير الفواصل الخزفية للمساعدة في تخفيف المشكلة.
تعد تقنية الليثيوم أيون (Li-ion) تقنية البطاريات السائدة للأجهزة المتصلة (مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية) والمركبات الكهربائية (EVs) وتخزين الطاقة المتجددة في المنزل. في جميع حالات الاستخدام هذه، تعتبر السلامة ذات أهمية قصوى. يفوز Li-ion في هذه المجالات بسبب سلامته. مع تزايد الطلب على البطاريات الأصغر حجمًا والأكثر قوة ذات دورات حياة أطول، يحاول الباحثون جاهدين حل مشكلات قصر الدائرة الكهربائية وارتفاع درجة الحرارة، مما قد يؤدي إلى حرائق وانفجارات خطيرة.
تخزن خلايا الليثيوم أيون المزيد من الطاقة لوزن معين (كثافة الطاقة)
يمكن لخلايا Li-ion تخزين المزيد من الطاقة لوزن وحجم معين مقارنة ببطاريات الرصاص الحمضية أو NiMH وتسمح بإعادة الشحن والتفريغ بشكل أسرع. هذه الخصائص تجعلها مثالية لتخزين الطاقة في السيارات الكهربائية، حيث تكون كثافة الطاقة الكبيرة في حزمة خفيفة الوزن أمرًا ضروريًا.
بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LFP) هي نوع آخر من البطاريات المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية المحمولة اليوم. تتمتع الطابعات LFP بكثافة طاقة أقل من بطاريات Li-ion، وبالتالي فإن الأخيرة هي الحل النموذجي للإلكترونيات المتعطشة للطاقة والتي تستنزف البطاريات بمعدلات عالية. ومع ذلك، يمكن للطابعات LFP أن تتحمل درجات الحرارة العالية مع الحد الأدنى من التدهور وهي مناسبة للأشياء التي تحتاج إلى التشغيل لفترات طويلة قبل شحنها. بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما تتمتع بطاريات LFP بدورات حياة أطول من بطاريات Li-ion. أي أنه يمكن شحنها وتفريغها مرات أكثر. يمكن القول إن إحدى أكبر مزايا الطابعات الكبيرة الحجم مقارنة ببطاريات Li-ion هي السلامة. ويعني تحسين الاستقرار الحراري والكيميائي أن تبقى الطابعات LFP باردة في درجات الحرارة المرتفعة وتكون غير قابلة للاحتراق (لا تشتعل فيها النيران) إذا تم التعامل معها بشكل سيء أثناء الشحن أو التفريغ السريع، أو أثناء قصر الدائرة الكهربائية.
ويجري أيضًا تطوير كيمياء البطاريات المتقدمة التي قد توفر مزايا مقارنة بالبطاريات المتوفرة تجاريًا.
تشتمل مزايا الأداء على وزن أخف، وكثافة طاقة أعلى، وتحمل أوسع لدرجات الحرارة، ودورة حياة ممتدة، وتحسين السلامة. على سبيل المثال، يمكن أن يصبح الإلكتروليت السائل في بطاريات الليثيوم أيون متطايرًا بشكل لا يصدق إذا تعرض للهواء الخارجي، كما هو الحال أثناء وقوع حادث أو فشل بنية الخلية. تعتبر حرائق بطاريات الليثيوم عنيفة بشكل خاص ويصعب إخمادها، وغالبًا ما تحتاج إلى غمرها بالكامل في الماء لعدة أيام حتى تصبح خاملة تمامًا. لا يوجد دليل يشير إلى أن حرائق المركبات الكهربائية تحدث بوتيرة أكبر من حرائق مركبات الاحتراق - بل وربما تكون أقل احتمالا من الناحية الإحصائية.
ومع ذلك، لا يزال يتعين على صانعي السيارات الكهربائية طمأنة الجمهور بأن سياراتهم آمنة. أدى إطلاق سامسونج الكارثي لهاتف Galaxy Note 7، وهو هاتف ذكي يعاني من نيران بطارية Li-ion، إلى تسليط الضوء على المخاطر المحتملة لكيمياء البطارية هذه في أعين الجمهور - وهو الخطأ الذي لن يرغب صانعو السيارات الكهربائية في تكراره.
بطاريات الحالة الصلبة هي الخيار التالي الأكثر قابلية للتطبيق
تستخدم خلايا الحالة الصلبة بشكل عام نفس التفاعل الكيميائي القائم على أيون الليثيوم لتخزين وتفريغ الطاقة مثل الخلايا التقليدية. يكمن الاختلاف في المنحل بالكهرباء المستخدم لفصل الأنود والكاثود. تستخدم الخلايا التقليدية إلكتروليتًا سائلًا - عادة ملح الليثيوم المعلق في مذيب عضوي - في حين تقوم خلايا الحالة الصلبة باستبدال ذلك بإلكتروليت صلب رقيق للغاية، وعادة ما يكون مصنوعًا إما من السيراميك أو البوليمر أو الزجاج.
إزالة المنحل بالكهرباء السائل يجلب العديد من الفوائد المحتملة. تكون خلايا الحالة الصلبة أخف وزنًا وأكثر إحكاما من نظيراتها ذات الأساس السائل، مما يعني إمكانية تقليل وزن العبوة أو زيادة سعة الطاقة. وينبغي أن تكون أكثر مقاومة لتكوين تشعبات الليثيوم، مما سيؤدي إلى تحسين أداء تفريغ الطاقة وزيادة سرعات الشحن المحتملة، إلى جانب إطالة عمر خدمة حزمة البطارية. بالإضافة إلى ذلك، بمجرد تحقيق التصنيع الضخم، ينبغي أن يكون تصنيعها أسهل وأسرع من خلايا أيون الليثيوم التقليدية بفضل إزالة المذيبات الصناعية.
هناك فوائد أكثر وضوحًا تقدمها خلايا الحالة الصلبة في مجال سلامة البطارية. تم نشر الحرائق الناجمة عن خلايا أيون الليثيوم المعيبة أو التالفة على نطاق واسع (على سبيل المثال شيفروليه بولت وبطارياتها من مصادر إل جي). في كثير من الحالات، تحدث هذه الحرائق بسبب عطل داخلي أو تلف خارجي تسبب في تعرض إلكتروليت الليثيوم المتطاير للهواء الخارجي، مما يؤدي إلى اشتعاله وبدء تفاعل متسلسل يمكن أن يدمر مجموعة البطارية بأكملها. تتجنب الإلكتروليتات الصلبة هذه المشكلات تمامًا وتتميز بمقاومة عالية للحريق والانفجار - حتى في حالة ثقبها أو تأثرها.
وفي حين أنها تقدم العديد من الفوائد النظرية، إلا أنه لم تثبت أي شركة حتى الآن القدرة على تصنيع خلايا الحالة الصلبة للمركبات الخفيفة بكميات كبيرة، حيث لا يزال معظمها في مرحلة الاختبار التجريبي. لا تزال هناك بعض المشكلات التي يتعين حلها، بما في ذلك تصميم الإلكتروليت الصلب والأقطاب الكهربائية بطريقة تتفاعل بالتساوي عبر سطحها بالكامل، لأن أي تشويه يمكن أن يخلق فجوات تحد من كفاءة الخلية. بالإضافة إلى ذلك، ثبت أن استقرار المواد يمثل مشكلة، حيث تؤدي هشاشة الإلكتروليت إلى كسور مجهرية تحد من أداء الخلية.
فازت شركة Blue Solutions، وهي شركة تابعة لشركة Bolloré الفرنسية، بعقد لتوريد خلايا الحالة الصلبة الخاصة بها للحافلة الحضرية المفصلية eCitaro G من Daimler - وهي أول اتفاقية توريد تجارية مسجلة لهذه التكنولوجيا. ومع ذلك، يجب تسخين حزمة الحالة الصلبة الاختيارية بشكل متعمد إلى درجة حرارة تشغيل عالية نسبيًا تتراوح بين 50 درجة مئوية و80 درجة مئوية - مما يؤدي إلى استنزاف بعض النطاق في العملية وجعلها غير مناسبة للاستخدام في المركبات الخفيفة ذات أنماط الاستخدام غير المتوقعة.
خلايا الوقود (الهيدروجين) – رهان طويل الأمد
تولد المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود (FCEVs) الطاقة على متنها عن طريق أكسدة الوقود - عادة الهيدروجين - من خلال غشاء خلية الوقود، ويكون الانبعاث الوحيد هو الماء. يمكن إرسال هذه الطاقة مباشرة إلى المحرك الكهربائي أو تخزينها في بطارية منفصلة لاستخدامها لاحقًا. يمكن إعادة تزويد مركبات FCEV بالوقود بسرعة على غرار مركبات الاحتراق عن طريق إعادة ملء الخزان بالهيدروجين، مما يقلل فترة إعادة الشحن الطويلة التي تتطلبها المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية. إن الدفع نحو الهيدروجين مدفوع جزئيًا بدوره المحتمل كجزء من اقتصاد الطاقة الدائري. هنا، يتم استخدام طاقة الرياح المتجددة أو الطاقة الكهرومائية لتكسير الهيدروجين من مياه البحر. ويعمل الهيدروجين بعد ذلك كمخزن للطاقة خارج أوقات الذروة التي تولدها تلك المصادر.
في حين أن مركبات FCEV لها العديد من الفوائد المحتملة، إلا أن التكنولوجيا تحتاج إلى تحسين قبل أن تتمكن من التنافس مع المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية. تكلفة توليد الهيدروجين حاليا أعلى من تكلفة إنتاج البنزين، مما يجعل إعادة التعبئة باهظة الثمن. بالإضافة إلى ذلك، لم يتم بعد إنشاء البنية التحتية لدعم مركبات FCEV، في حين أن شبكات إعادة شحن المركبات الكهربائية تنمو بسرعة بالفعل.
قد تكون مركبات FCEV ذات قيمة أكبر للمركبات الثقيلة والتجارية. البطاريات ثقيلة لذا فهي ليست مناسبة تمامًا للشاحنات طويلة المدى لأن الوزن الهائل للبطاريات اللازمة قد يستهلك الكثير من القدرة الاستيعابية المحتملة. تتطلب الطرق المتوقعة التي تسلكها الشاحنات طويلة المدى أيضًا عددًا أقل من محطات التزود بالوقود الهيدروجيني لتعمل بشكل فعال.
في الجوهر، يُنظر إلى مركبات FCEV في الصناعة على أنها اتجاه محتمل للسفر للنقل على المدى الطويل - مع تطبيقاتها على الأرجح في البداية في المركبات التجارية الثقيلة جنبًا إلى جنب مع شبكات محطات الشحن ذات الحلقة المغلقة.
مصدر من سيارة فقط
إخلاء المسؤولية: المعلومات المذكورة أعلاه مقدمة من just-auto.com بشكل مستقل عن Chovm.com. لا تقدم Chovm.com أي تعهدات أو ضمانات فيما يتعلق بجودة وموثوقية البائع والمنتجات.
