كل شيء عن بطاريات السيارات الكهربائية

تُعد السيارات الكهربائية من أعظم الابتكارات في قطاع السيارات، حيث تفتح الطريق أمام وسائل نقل أكثر مراعاة للبيئة. إن قلب كل سيارة كهربائية هو بطاريتها التي تحافظ على تشغيل السيارة وبالتالي فهي عامل محدد للكفاءة. ولذلك، سيكون من المهم فهم كيفية عمل هذه البطاريات ومكوناتها وما يؤثر على عمرها الافتراضي من أجل فهم مستقبل السيارات الكهربائية.

كيف تعمل بطاريات السيارات الكهربائية؟

تخزين الطاقة وتحويلها هي المبادئ الأساسية التي تحكم عمل البطاريات في السيارات الكهربائية. فهي تعمل عن طريق تخزين الطاقة الكهربائية ثم تحويلها إلى حركة من خلال المحركات الكهربائية. عند شحن السيارة، يتم نقل الطاقة الكهربائية من مصدر الشحن إلى البطارية. ثم يتم إطلاق هذه الطاقة المخزنة فيها إلى المحرك لتوفير الحركة للسيارة.

وبعبارات بسيطة، تعمل بطارية السيارة الكهربائية كمستودع كبير للطاقة يوفر الطاقة المطلوبة لتشغيل السيارة. وفي حين أن محركات الاحتراق الداخلي التقليدية تعمل بالوقود، تستخدم السيارات الكهربائية بطارياتها كوسيلة نظيفة وفعالة للعمل ولا تنتج أي انبعاثات من العادم.

المكونات الرئيسية

تتألف بطارية السيارة الكهربائية من عدد من المكونات الرئيسية التي تتفاعل في توفير تخزين الطاقة وتفريغها بكفاءة. تشمل الأجزاء الرئيسية ما يلي:

1- الأنود والكاثود: هذان هما القطبان الكهربائيان في البطارية. عادةً ما يكون الأنود مصنوعًا من الجرافيت، على الرغم من أن الكاثود يتكون من أكاسيد فلز الليثيوم في بطاريات الليثيوم أيون. يطلق الأنود الإلكترونات وقت التفريغ، ومن ناحية أخرى، أثناء الشحن، يمتصها الكاثود أثناء الشحن.

2. المنحل بالكهرباء: الإلكتروليت هو المادة التي تسمح بتدفق الأيونات بين الأنود والكاثود، مما يسمح بدورات شحن/تفريغ البطارية. في معظم بطاريات السيارات الكهربائية، هو محلول من أملاح الليثيوم في مذيب سائل.

3. الفاصل: وهو يفصل بين كل من الأنود والكاثود لتجنب الاتصال المباشر الذي قد يؤدي إلى حدوث دوائر قصيرة. وهو يسمح بمرور الأيونات أثناء عمليتي الشحن والتفريغ.

4. نظام إدارة البطارية (BMS): نظام إدارة البطارية هو نظام إلكتروني يتحكم في أداء البطارية ويحافظ عليه. ويسمح نظام إدارة البطارية (BMS) للبطارية بالعمل ضمن معايير آمنة، وموازنة مستويات الشحن ودرجات الحرارة والفولتية عبر جميع الخلايا.

قراءة ذات صلة: قلب بطارية الليثيوم أيون: مواد الكاثود

أنواع بطاريات المركبات الكهربائية

هناك عدة أنواع من البطاريات في السيارات الكهربائية لها مزايا وعيوب مميزة. تشمل الأنواع الأكثر شيوعاً ما يلي:

1. بطاريات الليثيوم أيون: تعد بطاريات الليثيوم أيون أكثر أنواع البطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية شيوعاً اليوم، وتتميز بطاريات الليثيوم أيون بكثافة طاقة عالية وعمر افتراضي طويل ووزن منخفض نسبياً. فهي تتمتع بالقدرة على تخزين المزيد من الطاقة لكل وحدة وزن مقارنةً بالأنواع الأخرى من البطاريات، وهو أمر بالغ الأهمية لضمان أقصى مدى للسيارة الكهربائية.

2. بطاريات هيدريد النيكل-المعدن: تُستخدم هذه البطاريات بشكل أساسي في السيارات الكهربائية الهجينة القديمة. تتميز بطاريات NiMH بكثافة طاقة أقل مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون، إلا أنها تتمتع بعمر دورة أفضل بكثير في درجات الحرارة القصوى. كما أنها أقل عرضة للتلف بمرور الوقت مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون.

3. بطاريات الحالة الصلبة: بطاريات الحالة الصلبة، وهي تقنية جديدة وصاعدة، تستبدل بطاريات الحالة الصلبة الإلكتروليت السائل بإلكتروليت صلب، مما قد يوفر كثافة طاقة وأمان وعمر افتراضي أفضل. ومع ذلك، لا تزال هذه البطاريات في مرحلة التطوير وغير متوفرة على نطاق واسع في السيارات الكهربائية المتاحة تجارياً.

4. تستخدم بطاريات الرصاص الحمضية في بعض الطرازات الأقل تكلفة أو الأقدم من المركبات الكهربائية. ومع ذلك، فإن بطاريات الرصاص الحمضية ليست بكفاءة بطاريات الليثيوم أيون. وبالتالي، فهي تتميز بكثافة طاقة أقل، مما يجعلها أثقل وزناً وتشغل مساحة أكبر لتخزين نفس الكمية من الطاقة.

سعة البطارية والمدى والشحن

عادة ما تقاس سعة بطارية السيارة الكهربائية بالكيلوواط ساعة. وهي كمية الطاقة التي يمكن للبطارية تخزينها، وبالتالي المسافة التي يمكن أن تقطعها السيارة بشحنة واحدة. على سبيل المثال، يمكن للسيارة الكهربائية المزودة ببطارية بقدرة 60 كيلوواط ساعة، نظرياً، أن تقطع مسافة 60 ميلاً باستخدام كيلوواط ساعة من الطاقة لكل ميل.

يُعدّ المدى أحد أهم الاعتبارات بالنسبة إلى مشتري السيارات الكهربائية المحتملين. حيث تعادل سعة البطارية الأكبر عموماً مدى أطول. ومع ذلك، يمكن أن يتأثر المدى بعدة عوامل، مثل عادات القيادة وظروف الطريق ووزن السيارة. يتراوح المدى الذي تقطعه معظم السيارات الكهربائية الحديثة ما بين 200 إلى 370 ميلاً عند الشحن الكامل، على الرغم من أن بعض الطرازات المتطورة يمكن أن تتجاوز ذلك.

تتضمن عملية شحن السيارة الكهربائية ببساطة توصيلها بمصدر طاقة كهربائية. وهي تعمل على استبدال الطاقة في البطارية. تختلف أوقات الشحن حسب مستوى الشحن: المستوى 1 أو المستوى 2 أو الشحن السريع بالتيار المستمر. ومن بين هذه المستويات الثلاثة، تُعدّ أجهزة الشحن السريع بالتيار المستمر الأكثر سرعة، حيث تصل السيارة الكهربائية إلى 80% من الشحن في أقل من 30 دقيقة. بشكل عام، يتطلب الشحن المنزلي عدداً من الساعات، بينما تستغرق المحطات العامة ما يزيد عن 30 دقيقة إلى عدة ساعات، وذلك حسب البنية التحتية نفسها.

العوامل التي تؤثر على عمر البطارية

يمكن أن يكون لعمر بطارية السيارة الكهربائية تأثير كبير على التكلفة الإجمالية لامتلاك سيارة كهربائية: على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون قد تدوم من 8 إلى 15 سنة في السيارة الكهربائية، إلا أن عمر البطارية الفعلي يعتمد على عدة عوامل:

1. عادات الشحن: تؤدي عمليات التفريغ العميق المتكرر - تلك التي تستنزف البطارية بالكامل - أو شحن البطارية بشكل معتاد إلى 100% إلى تسريع عملية تدهور البطارية. من الناحية المثالية، يجب على مالكي السيارات الكهربائية الحفاظ على شحن البطارية بين 20% و80% من أجل إطالة عمر البطارية.

2. درجة الحرارة: تؤثر الحرارة الشديدة أو البرودة الشديدة سلباً على عمر البطارية. في حين أن درجات الحرارة المرتفعة يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة البطاريات، فإن درجات الحرارة المنخفضة يمكن أن تعيق قدرات البطارية على توصيل الطاقة.

3. أنماط الاستخدام: تلعب أيضاً أنماط القيادة المنتظمة، مثل السرعة والتسارع، دوراً في عملية التدهور. على سبيل المثال، يؤدي التسارع السريع إلى استنزاف البطارية بشكل أسرع مقارنة بالقيادة السلسة والمعتدلة.

4. كيمياء البطارية: لا تتحلل كل كيمياء البطاريات بالمعدلات نفسها. على سبيل المثال، بطاريات LiFeFePO4 أطول عمراً بشكل عام على حساب كثافة طاقة أقل نوعاً ما من بطاريات الليثيوم والنيكل والكوبالت والمنغنيز (NCM).

5. الصيانة والعناية: سيضمن تحديث البرنامج بشكل دوري وصيانته التأكد من أن البطارية في حالة جيدة. من ناحية أخرى، يمكن أن يساعد نظام إدارة البطاريات أيضاً في موازنة شحن الخلايا بحيث لا يتم شحن أي خلية بشكل زائد أو ناقص الشحن والحفاظ على حدود التشغيل الآمنة.

هل يمكن إعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية؟

يمكن إعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية، ولكنها عملية معقدة ولا تزال في طور التطوير. تنطوي إعادة تدوير بطاريات أيونات الليثيوم بشكل عام على فصل المواد القيّمة مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل والجرافيت التي يمكن إعادة استخدامها في إنتاج بطاريات جديدة. وبالإضافة إلى ذلك، ومع زيادة الطلب، تدفع السيارات الكهربائية الحاجة إلى عمليات إعادة التدوير الفعالة التي يمكن أن تساعد في تقليل الأثر البيئي والحد من تعدين المواد الخام.

وتساعد عملية إعادة التدوير أيضاً في معالجة العديد من المخاوف المتعلقة بالتخلص من البطاريات في نهاية دورة حياة السيارات الكهربائية. تعمل العديد من شركات صناعة السيارات وكبرى الشركات المصنعة للبطاريات على تحسين التقنيات الكامنة وراء إعادة التدوير وكفاءة العملية. حتى أن بعض الشركات تستكشف إمكانية إعادة استخدام بطاريات السيارات الكهربائية المستعملة كأجهزة تخزين في تطبيقات الطاقة التي تتراوح بين أنظمة تخزين الشبكة.

الخلاصة

إن بطاريات السيارات الكهربائية هي قلب الثورة الخضراء في مجال النقل التي تجعلنا نتخلى عن الوقود الأحفوري لصالح مصادر الطاقة المستدامة. ومع تقدم التكنولوجيا، سنشهد أيضاً تحسناً مستمراً في أداء البطاريات وعمرها الافتراضي وقابليتها لإعادة التدوير. إن فهم الآليات الداخلية لهذه البطاريات أمر بالغ الأهمية لكل من المستهلكين والجهات الفاعلة في الصناعة الذين يعتزمون اتخاذ قرارات مستنيرة في هذه السوق سريعة التغير.