بطاريات السيارات الكهربائية: نظرة عامة كاملة

الوصف

تحظى السيارات الكهربائية (EVs) بشعبية كبيرة الآن، مدفوعة بزيادة الوعي البيئي والتطور في تقنيات البطاريات. البطاريات هي محور هذه السيارات، وهي المكونات الرئيسية التي تحدد المدى والكفاءة والتكلفة والعمر الافتراضي للمركبة.

تعمل العديد من تقنيات البطاريات على تشغيل السيارات الكهربائية اليوم، بما في ذلك بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) وهيدريد النيكل المعدني (NiMH) وبطاريات الحالة الصلبة المستقبلية. اختلافها هو سبب هيمنة تقنيات معينة على تطبيقات معينة.

بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion)

بطاريات الليثيوم أيونهي البطارية المهيمنة في صناعة السيارات الكهربائية في الوقت الحالي، نظراً لكثافة طاقتها العالية وعمرها الطويل نسبياً وخصائص الشحن الجيدة. تعمل بطاريات الليثيوم أيون عن طريق نقل أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود أثناء الشحن، والعكس صحيح عند التفريغ، وبالتالي تخزين الطاقة الكهربائية وإطلاقها. وتشمل مواد الكاثود الشائعة أكسيد النيكل والمنغنيز والكوبالت والليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) وفوسفات الحديد الليثيوم (LFP)، ولكل منها مزايا مختلفة. تتميز بطاريات ليثيوم أيون بأنها صغيرة وخفيفة ويمكن أن توفر نطاقات قيادة ممتدة تتراوح بين 200 و400 ميل لكل شحنة، وهي البطارية المفضلة للسيارات الكهربائية الأحدث مثل تسلا موديل 3 ونيسان ليف.

كما أن بطاريات الليثيوم أيون لها حدودها الخاصة، والتي تشمل عدم الاستقرار الحراري، وتتطلب أنظمة تبريد متطورة للتحكم في الحرارة. من الصعب إعادة تدوير بطاريات ليثيوم أيون بسبب تركيبها الكيميائي المعقد، مما يثير مخاوف بيئية بشأن التخلص منها.

بطاريات هيدريد النيكل-المعدن (NiMH)

كانتبطاريات هيدريد النيكل-المعدن من بين أولى تقنيات البطاريات التجارية المستخدمة في السيارات الكهربائية الهجينة، مع تطبيقها على نطاق واسع في سيارات تويوتا من الجيل الأول من بريوس. تستخدم بطاريات NiMH سبائك ماصة للهيدروجين في القطب السالب وهيدروكسيد أكسيد النيكل في القطب الموجب. وتتمثل المزايا الرئيسية لهذه البطاريات في المتانة والعمر الطويل للدورة والتحمل العالي لسوء الاستخدام مقارنة بالبطاريات الأخرى.

على الجانب السلبي، تتميز بطاريات NiMH بكثافة طاقة أقل من بطاريات الليثيوم أيون، لذا فهي تؤدي إلى حزم بطاريات أثقل وزناً ونطاق قيادة أقل. كما أنها عرضة لتأثير الذاكرة - أي انخفاض سعة البطارية الناجم عن دورات الشحن الجزئي المتتالية، مما يتطلب تفريغاً دورياً كاملاً لاستعادة قدرتها الكاملة.

بطاريات الحالة الصلبة

تعدبطاريات الحالة الصلبة تقنية واعدة من الجيل التالي من بطاريات السيارات الكهربائية. وعلى عكس البطاريات التقليدية التي تستخدم الشوارد السائلة، تستخدم بطاريات الحالة الصلبة الشوارد الصلبة. ويعزز هذا التغيير السلامة من خلال إزالة مخاطر الحريق الناجم عن تسرب الإلكتروليت السائل أو الهرب الحراري. يمكن أن تتمتع بطاريات الحالة الصلبة أيضاً بكثافة طاقة أعلى بكثير، مما يتيح نطاقات قيادة أطول وأوقات شحن أسرع.

وقد استثمرت شركات صناعة السيارات مثل تويوتا وفولكس فاجن وبي إم دبليو بكثافة في تطوير هذه التكنولوجيا، على أمل أن تحسن بطاريات الحالة الصلبة أداء السيارات الكهربائية بشكل كبير. إلا أن هذه التقنية لا تزال في مرحلة التطوير، كما أن التحديات من حيث تكلفة التصنيع واستقرار الإلكتروليت وقابلية التوسع تعيق حالياً التسويق التجاري على نطاق واسع.

جدول بيانات الفوائد والاستخدام

يلخص الجدول أدناه الفوائد والاستخدامات العملية لتقنيات بطاريات السيارات الكهربائية الثلاث البارزة التي تمت مناقشتها:

تؤكد هذه البيانات المقارنة على سبب تفضيل بطاريات الليثيوم أيون في الوقت الحالي، وسبب بقاء NiMH ملائمة للبطاريات الهجينة، وكيف يمكن لبطاريات الحالة الصلبة أن تعيد تعريف معايير بطاريات السيارات الكهربائية قريباً. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

ما هو العمر الافتراضي لبطاريات السيارات الكهربائية؟

يدوم عمر بطاريات السيارات الكهربائية عموماً من 8 إلى 15 عاماً، وذلك حسب التقنية وأنماط الاستخدام وممارسات الصيانة.

هل يمكن إعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية؟

نعم، يمكن إعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية، لا سيما بطاريات الليثيوم أيون، على الرغم من أن العمليات الحالية معقدة وتتطور باستمرار.

كم من الوقت يستغرق شحن بطارية السيارة الكهربائية؟

تتراوح مدة شحن السيارات الكهربائية النموذجية من 20 دقيقة (الشحن السريع) إلى عدة ساعات (الشحن المنزلي القياسي)، وذلك حسب سعة البطارية ونوع الشاحن.

هل بطاريات الحالة الصلبة متوفرة تجارياً؟

في الوقت الحالي، لا تزال بطاريات الحالة الصلبة تجريبية وغير متوفرة تجارياً بعد، ومن المتوقع إنتاجها بكميات كبيرة في الفترة 2027-2030.

لماذا تُفضل بطاريات Li-ion في معظم السيارات الكهربائية؟

توفر بطاريات Li-ion مزيجاً مثالياً من كثافة الطاقة وكفاءة التكلفة وسرعة الشحن، مما يجعلها الخيار المفضل للسيارات الكهربائية الحالية.