مستقبل بطاريات السيارات الكهربائية: ما التالي؟

الوصف

مع ازدياد انتشار السيارات الكهربائية (EVs)، يزداد الطلب على بطاريات أفضل وأسرع شحنًا وأطول عمرًا. يعمل الباحثون والمصنعون على تقنيات الجيل التالي من البطاريات لتحسين الأداء والسلامة والاستدامة. إليك ما هو قادم في عالم بطاريات السيارات الكهربائية.

1. بطاريات الحالة الصلبة

تستبدل البطاريات ذات الحالة الصلبة الإلكتروليت السائل في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية بمادة صلبة، مما يحسن السلامة وكثافة الطاقة. تشمل المزايا ما يلي:

• كثافة طاقة أعلى: طاقة أكبر في بطارية أصغر حجماً وأخف وزناً.
• شحن أسرع: إمكانية الشحن في دقائق بدلاً من ساعات.
• عمر افتراضي أطول: انخفاض التدهور بمرور الوقت.
  تستثمر كبرى شركات صناعة السيارات، بما في ذلك تويوتا وبي إم دبليو بكثافة في تكنولوجيا الحالة الصلبة، ومن المتوقع إنتاجها بكميات كبيرة بحلول أواخر عام 2020.

2. تحسينات بطاريات الليثيوم-الحديد-الفوسفات (LFP)

تكتسب بطاريات الليثيوم فوسفات الليثيوم فوسفات شعبيةمتزايدة بسبب قدرتها على تحمل التكاليف ومتانتها. وتزيد التطورات في كيمياء بطاريات الليثيوم فوسفات الليثيوم من كثافة الطاقة، مما يجعلها أكثر قدرة على المنافسة مع بطاريات الليثيوم أيون التقليدية مع الحفاظ على أمانها وديمومتها لفترة أطول.

3. بطاريات أيونات الصوديوم

تستخدم بطاريات أيونات الصوديوم الصوديوم الوفير بدلاً من الليثيوم، مما يقلل من الاعتماد على المواد الخام النادرة. وهي توفر:

• تكاليف أقل: لا حاجة إلى الليثيوم أو الكوبالت الباهظ الثمن.
• أداء أفضل في الطقس البارد: أكثر استقراراً في درجات الحرارة المنخفضة.
  وفي حين أن كثافة طاقتها أقل من الليثيوم أيون، إلا أن شركات مثل CATL و BYD تعمل على تسويقها للمركبات الكهربائية للمبتدئين وتخزين الشبكة.

4. حلول الشحن فائق السرعة

تبشر تصاميم البطاريات الناشئة، بما في ذلك تقنية الأنود السيليكونية، بأوقات شحن فائقة السرعة، مما يقلل من فترات إعادة الشحن إلى أقل من 10 دقائق. وهذا سيجعل شحن السيارات الكهربائية مريحاً مثل شحن السيارات التي تعمل بالغاز.

5. بطاريات أطول عمراً وقابلة لإعادة التدوير

أصبحت إعادة تدوير البطاريات والتطبيقات ذات العمر الافتراضي الثاني من الأولويات للحد من الأثر البيئي. سيتم تصميم بطاريات السيارات الكهربائية المستقبلية بحيث يسهل إعادة تدويرها، حيث تركز شركات مثل Redwood Materials وTesla على سلاسل توريد البطاريات المستدامة.

6. الشحن اللاسلكي والذكي

من المتوقع أن يؤدي الشحن اللاسلكي للمركبات الكهربائية وتقنية تحويل المركبة إلى شبكة (V2G) إلى تحسين الراحة وكفاءة الشبكة، مما يتيح للمركبات الكهربائية تزويد المنازل والمدن بالطاقة.

بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion)

تهيمنبطاريات الليثيوم أيون حالياً على سوق السيارات الكهربائية نظراً لكثافة طاقتها العالية وخفة وزنها النسبية ودورات حياتها العالية. تعمل هذه البطاريات من خلال تبادل أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود، مما يولد طاقة كهربائية ضرورية لدفع السيارة. تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بالعديد من المزايا بما في ذلك الشحن السريع والأداء العالي وزيادة المدى لكل شحنة، مما يجعلها المعيار الجديد لمصنعي السيارات حول العالم.

لكن تكنولوجيا الليثيوم أيون نفسها مهددة بمخاوف تتعلق بالسلامة والتنظيم الحراري والموارد المحدودة. وتدخل العمليات المستهلكة للموارد في تصنيع الليثيوم، وتظل مخاطر الحرارة والبطاريات من بين المخاوف الرئيسية التي تؤدي إلى البحث عن تقنيات بديلة.

بطاريات هيدريد النيكل-المعدن (NiMH)

كانت بطاريات NiMH واعدة جداً في السابق خلال السنوات الأولى من تطوير السيارات الكهربائية، ويرجع ذلك أساساً إلى موثوقيتها المثبتة وانخفاض تكلفة التصنيع. تعمل بطاريات NiMH على آلية تخزين الهيدروجين في سبائك هيدريد الفلزات وتمتلك مزايا مثل مزايا السلامة الأفضل مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون، وتقليل مخاطر ارتفاع درجة الحرارة، ومتطلبات إدارة حرارية أسهل.

إلا أن بطاريات NiMH أقل كثافة في الطاقة وأثقل وزناً، مما يؤدي إلى نطاقات قيادة أصغر. على الرغم من أن بطاريات NiMH موجودة في السيارات الهجينة، إلا أنه يتم استبدال بطاريات NiMH بشكل متزايد في السوق بتقنيات الليثيوم أيون الأفضل وتقنيات الحالة الصلبة الأحدث التي توفر خصائص أداء أفضل بكثير.

بطاريات الحالة الصلبة

عادة ما يُنظر إلى بطاريات الحالة الصلبة على أنها مستقبل تكنولوجيا بطاريات السيارات الكهربائية. بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون التي تستخدم إلكتروليتات سائلة، تستخدم بطاريات الحالة الصلبة إلكتروليتات صلبة، مما يعزز السلامة بشكل كبير مع انخفاض قابلية الاشتعال وانسكاب الإلكتروليت السائل. كما أنها توفر كثافة طاقة متزايدة، مما يتيح نطاقات قيادة ممتدة وشحن أسرع واستقرار حراري أفضل.

وتستثمر شركات تصنيع السيارات الرائدة بالفعل بكثافة في تطوير بطاريات الحالة الصلبة، مع توقعات بتوافرها في السوق على نطاق واسع خلال العقد القادم. ومع ذلك، هناك تحديات يجب التغلب عليها، مثل قابلية التوسع، وتعقيدات التصنيع، وتكاليف الإنتاج المرتفعة مقدماً. وتستمر الأبحاث بهدف التغلب على هذه التحديات لجعل بطاريات الحالة الصلبة بديلاً تنافسياً لتكنولوجيا البطاريات الحالية.

الأسئلة المتداولة

ما الذي يجعل بطاريات الحالة الصلبة أكثر أماناً من بطاريات الليثيوم أيون؟

تستخدم البطاريات ذات الحالة الصلبة إلكتروليتات صلبة، مما يقلل من المخاطر المرتبطة بالإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال في بطاريات الليثيوم-أيون، مما يعزز السلامة العامة بشكل كبير.

هل لا تزال بطاريات هيدريد النيكل-المعدن مناسبة للسيارات الكهربائية؟

لا تزال بطاريات NiMH ذات صلة بالسيارات الكهربائية الهجينة نظراً لانخفاض تكلفتها وسلامتها الموثوقة، على الرغم من أنها أقل شيوعاً في السيارات الكهربائية بالكامل بسبب انخفاض كثافة الطاقة.

هل ستحل بطاريات الحالة الصلبة محل بطاريات الليثيوم أيون بالكامل؟

على الرغم من أن بطاريات الحالة الصلبة تنطوي على إمكانات كبيرة، إلا أن استبدالها بالكامل سيعتمد على التغلب على تعقيدات التصنيع الحالية ومشاكل قابلية التوسع وتكاليف الإنتاج.

ما هي الفوائد البيئية للابتعاد عن بطاريات الليثيوم-أيون؟

يمكن للانتقال إلى الحالة الصلبة أو البدائل الأخرى أن يقلل من الآثار البيئية المرتبطة باستخراج الليثيوم، بما في ذلك ندرة المياه والتلوث وتعطيل المناظر الطبيعية.

متى ستصبح بطاريات الحالة الصلبة مجدية تجارياً للمركبات الكهربائية؟

من المتوقع أن تحقق بطاريات الحالة الصلبة الجدوى التجارية خلال العقد القادم، حيث يتوقع العديد من المصنعين طرحها في الأسواق بشكل كبير بحلول عام 2030.