تكنولوجيا المواد الأساسية لصناعة مركبات الطاقة الجديدة

البطاريات وأشباه الموصلات ومواد تحديد المدى بالليزر

1 مقدمة

مع استمرار تنامي الوعي بخطورة المشاكل البيئية، بدأت مركبات الطاقة الجديدة تحل بشكل متزايد محل المركبات التقليدية التي تعمل بالوقود، حيث يظهر حجم السوق اتجاهاً مستمراً للنمو. وقد أصبح تحسين الأداء والتقدم التكنولوجي لمواد البطاريات - وهي المكونات الأساسية لمركبات الطاقة الجديدة - ومواد أشباه الموصلات لمكونات التحكم الذكية، ومواد تحديد المدى بالليزر لمكونات الاستشعار البيئي تدريجياً المجالات الأساسية للمنافسة في الصناعة.

ويُعد أداء البطارية، باعتبارها مصدر الطاقة الأساسي، أحد أهم العوامل التي يأخذها المستهلكون في الاعتبار عند اختيار منتجات مركبات الطاقة الجديدة. ويحدد التوازن بين سعة البطارية والحجم/الوزن بشكل مباشر مدى السيارة؛ وفي الوقت نفسه، فإن خطر الهرب الحراري هو أكثر مخاطر السلامة أهمية بالنسبة لبطاريات الطاقة، ويؤثر أداء تبديد الحرارة لمواد البطارية بشكل كبير على عامل سلامة السيارة. وتواجه أشباه الموصلات المستخدمة في السيارات تحديات مركبة تتعلق بالكفاءة وقوة الحوسبة ومشاكل سلسلة التوريد. وتعاني الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة التقليدية القائمة على السيليكون (IGBTs) من خسائر تبديل عالية، مما يضعف كفاءة الطاقة في أنظمة القيادة الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، فإن القدرة الحسابية المطلوبة للقيادة الذاتية (> 100 توبس) مقيدة بمعدلات الإنتاجية المنخفضة لرقائق المعالجة المتقدمة من فئة السيارات (معدلات الإنتاجية أقل من 50% للعمليات التي تقل عن 7 نانومتر). تتركز القدرة الإنتاجية العالمية لوحدات التحكم الدقيقة (MCU) الخاصة بالسيارات بشكل كبير بين عدد قليل من الشركات المصنعة، مما يؤدي إلى ضعف مرونة سلسلة التوريد.

تركز الحلول على مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض: يمكن لوحدات طاقة كربيد السيليكون (SiC) أن تقلل من خسائر المحرك الكهربائي بنسبة 50% وتزيد المدى بنسبة 5%؛ وتعمل الصناعة على تطوير الإنتاج الضخم لركائز SiC مقاس 6 بوصات لتعزيز استقرار الإمداد. يكمن التحدي الأساسي في الليدار في الموازنة بين الدقة والتكلفة. وتوفر الحلول الميكانيكية دقة عالية (± 2 سم) ولكنها تكلف أكثر من 5000 دولار للوحدة الواحدة؛ وتواجه حلول الحالة الصلبة (مثل المصفوفة المرحلية الضوئية/الفلاشية) انخفاضاً بنسبة 40% في قدرة تحديد المدى في ظل ظروف الإضاءة القوية. تعتمد الاختراقات التكنولوجية على تكامل رقاقة زمن التحليق المباشر (dToF): باستخدام أشعة الليزر الباعثة للسطح ذات التجويف العمودي (VCSELs) وصفائف الصمام الثنائي الانهيار الجليدي أحادي الفوتون (SPAD) لتحقيق دقة تحديد المدى على مستوى المليمتر (على سبيل المثال، رقاقة VL53L8). وقد أدى تطبيق المكونات البصرية على مستوى الرقاقة إلى خفض التكاليف إلى نطاق 500 دولار، مما يجعل نشر ليدار على نطاق واسع أمراً ممكناً. إن دمج البيانات متعددة أجهزة الاستشعار هو المسار الرئيسي لتحقيق قيادة ذاتية عالية الموثوقية

الشكل 1 بطاريات مركبات الطاقة الجديدة

2 بطاريات الطاقة: الثورة التطورية لناقلات الطاقة

2.1 تكرار النظام المادي: من السائل إلى الصلب

مقارنة بين تقنيات بطاريات الليثيوم أيون السائلة:

فوسفات حديد الليثيوم (LFP): توفر مزايا أمانعالية وتكلفة منخفضة (درجة حرارة تحلل المواد > 500 درجة مئوية)، ولكنها تواجه قيودًا على كثافة الطاقة (القيمة النموذجية: 160-180 واط/كجم). الأداء في درجات الحرارة المنخفضة مقيّد (معدل الاحتفاظ بالقدرة -20 درجة مئوية <70%)، لكنه يُظهر عمر دورة ممتاز (>4000 دورة بمعدل احتفاظ بالقدرة بنسبة 80%).

المواد الثلاثية (NCM/NCA): كثافة طاقة محسّنة بشكل كبير (220-300 واط/كجم)، ولكن ثباتها الحراري ضعيف (درجة حرارة بداية الهروب الحراري NCM811 <180 درجة مئوية). يؤدي الاعتماد على موارد النيكل والكوبالت إلى تقلبات كبيرة في التكلفة (يمكن أن تصل تقلبات أسعار الكوبالت إلى ± 30% سنوياً)، كما أن المواد عالية النيكل تسرّع من تحلل الإلكتروليت.

الشكل 2 عمر بطارية NCM

تركز الاختراقات التكنولوجية في بطاريات الحالة الصلبة على السلامة الجوهرية وتحسين كثافة الطاقة، ولكن يجب أن تتغلب على تحديات توصيل الواجهة وقابلية التوسع. وتكمن المزايا الأساسية في مجالين: الطبيعة غير القابلة للاشتعال لإلكتروليتات الحالة الصلبة تقضي على خطر الهرب الحراري من الإلكتروليتات العضوية، مما يحقق السلامة الجوهرية للبطارية؛ ويؤدي تطبيق أنودات معدن الليثيوم إلى اختراق حدود السعة النظرية لأنودات الجرافيت، مما يتيح إمكانية تجاوز كثافة الطاقة التي تتجاوز 500 واط/كجم. ومع ذلك، فإن التحديات التقنية الرئيسية تعيق التصنيع: مقاومة التوصيل الأيوني للواجهة الصلبة والصلبة تؤدي إلى توصيل في درجة حرارة الغرفة بشكل عام أقل من 10^-3 S / سم؛ الحساسية الشديدة لإلكتروليتات الكبريتيد للرطوبة والأكسجين (التحلل الفوري عند التعرض للهواء) تعيق بشدة الإنتاج على نطاق واسع؛ تكاليف المواد الحالية أعلى بثلاث مرات من أنظمة البطاريات السائلة، مما يتطلب تعاونًا عاجلًا في سلسلة التوريد لمعالجة تعديل الواجهة والتحكم في الغلاف الجوي ومشاكل خفض تكلفة العملية.

الشكل 3 مخطط تخطيطي للهيكل الطبقي لبطارية الحالة الصلبة

2.2 الابتكار الهيكلي وتحديثات التصنيع

تعمل تقنية التغليف المتكاملة (CTP/CTC) على تحسين استخدام حجم حزمة البطارية بشكل كبير بنسبة 15%-20% من خلال التخلص من طبقات هيكل الوحدة. تُظهر الحالات النموذجية أن تقنية CTP من الجيل الثالث يمكن أن تحقق طفرة في كثافة طاقة النظام تبلغ 255 واط/كجم. في مجال عمليات التصنيع المتقدمة، تعمل تقنية القطب الجاف على التخلص من خطوة التجفيف بالمذيبات، مما يقلل من استهلاك الطاقة الإنتاجية بنسبة تصل إلى 30%. تعوض تقنية ما قبل الليثنة المطبقة بشكل متزامن بشكل فعال عن فقدان الليثيوم خلال الدورة الأولى، مما يحسن الكفاءة الأولية بنسبة 5%-10% ويطيل عمر الدورة. وقد تم التحقق من صحة تحسينات العملية ذات الصلة من خلال التصنيع.

2.3 الاقتصاد الدائري: نظام التكنولوجيا المتجددة

تخضع بطاريات الطاقة المتقاعدة (ذات السعة المتبقية بنسبة 70%-80%) للفحص الكهروكيميائي وإعادة التكييف، مما يتيح استخدامها الثانوي في أنظمة تخزين الطاقة الشبكية (بدقة توفير الطاقة في أوقات الذروة بنسبة تزيد عن 95%) أو كمصادر طاقة للمركبات الكهربائية منخفضة السرعة، مما يحقق خفضًا بنسبة 40% في تكاليف الاستخدام الثانوي. في عملية إعادة تدوير المواد، تستخدم تقنية المعالجة الهيدروميتالورجية نظام الترشيح بحمض الكبريتيك-بيروكسيد الهيدروجين (H₂SO₄-H₂O₂) الحمضي مع استخلاص مذيب فوسفات ثنائي (2-إيثيل هكسيل) (D2EHPA)، مما يحقق معدلات استرداد للمعادن تزيد عن 90% لليثيوم والكوبالت والنيكل، مع نقاء المنتج الذي يلبي معايير درجة البطارية (نقاء كربونات الليثيوم > 99.5%). وتفرض لائحة الاتحاد الأوروبي للبطاريات ونفايات البطاريات (2023) معدل استرداد الليثيوم بنسبة 80% على الأقل بحلول عام 2031، مما يدفع إلى توحيد تقنيات إعادة التدوير العالمية.

الشكل 4 مخطط انسيابي للعملية المعدنية الرطبة لإعادة تدوير البطاريات

3 أشباه الموصلات من فئة السيارات: الناقل الأساسي للتحكم الذكي

3.1 تطور كفاءة الطاقة في أجهزة الطاقة

تحل وحدات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) تدريجياً محل وحدات IGBT المصنوعة من السيليكون. تدعم خصائص فجوة النطاق العريضة الخاصة بها التشغيل في درجات حرارة عالية أعلى من 200 درجة مئوية، وتقلل من خسائر التبديل عالية التردد بنسبة 50%، وتحسن بشكل كبير من كفاءة أنظمة المحرك الكهربائي (زيادة النطاق بنسبة 3-5%). وقد تم تطبيق هذه التقنية على محولات المحرك الرئيسية وأجهزة الشحن المدمجة (OBC). على الرغم من أن تكنولوجيا تغليف الوحدات قد حققت اختراقات في مجال تغليف الوحدات، إلا أن رقائق الركيزة الفوقية المصنوعة من رقائق SiC لا تزال تعتمد بشكل كبير على سلسلة التوريد الدولية، مما يشكل مخاطر على القدرات.

3.2 التقدم في تكنولوجيا رقاقة الاستشعار

تستخدم رقاقة LiDAR الأساسية تقنية زمن التحليق المباشر (dToF) وتتضمن حلين: صفيفات الصمام الثنائي الانهيار الجليدي أحادية الفوتون (SPAD). يمكن أن تحقق مجموعة المستقبل المدمجة (APD+TIA+شريحة الصمام الثنائي الانهياري أحادي الفوتون+ToF) دقة تحديد المدى ± 10 مم واسترداد الحمل الزائد بمستوى 10 نانو ثانية. وتدعم المستشعرات متعددة المناطق (مثل مصفوفة 64 بكسل) تحديد نطاق 285 سم مع مقاومة قوية لتداخل الضوء، مما يتيح التعرف على الإيماءات داخل السيارة وأنظمة مراقبة الركاب.

الشكل 5 مصفوفات SPAD و SPAD: من الكشف أحادي اللقطة إلى منصات التصوير على مستوى النظام

3.3 بنية رقاقة التحكم الحاسوبية

تهيمن الرقاقات عالية الأداء (مثل حلول Qualcomm/NVIDIA) على مقصورات القيادة الذكية ووحدات التحكم في مجال القيادة الذاتية. يجب أن تجتاز المتحكمات الدقيقة (MCUs) من فئة السيارات شهادة السلامة الوظيفية ISO 26262 ASIL-D، مع تركيز عتبات التطوير على التحكم في معدلات الخطأ (<10 FIT) وضمان التأخير في الاستجابة في الوقت الحقيقي (<50 ميكروثانية).

4 تقنية تحديد المدى بالليزر: التنفيذ الدقيق للإدراك البيئي

4.1 مقارنة بين المناهج التقنية

dToF (زمن التحليق المباشر): يحسب المسافة (d=c-Δt/2) عن طريق قياس التأخير في الرحلة ذهاباً وإياباً (Δt) لنبضات الليزر، بدقة على مستوى المليمتر، ومدى على مستوى الكيلومتر، وقدرات قوية مضادة للتداخل.

iToF (زمن الرحلة غير المباشر): يعتمد على فرق الطور بين أشكال الموجات المرسلة والمستقبلة، وهو منخفض التكلفة نسبيًا، ولكنه عرضة للتداخل من الضوء المحيط (خطأ > 40% في الضوء القوي).

الشكل 6 رسم تخطيطي لمخطط تخطيطي لقياس مدى النبض بالليزر

4.2 بنية جهاز dToF الأساسية

يستخدم طرف جهاز الإرسال في نظام تحديد زمن التحليق المباشر (dToF) ليزر بانبعاثات سطحية ذات تجويف عمودي 940 نانومتر (VCSEL)، والذي يتوافق مع معيار IEC 60825-1 لسلامة العين مع الحفاظ على استهلاك الطاقة أقل من 2 وات. ويتكون جهاز الاستقبال من الصمام الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي (APD)، ومضخم ضوئي عبر المعاوقة (TIA)، ومحول الوقت إلى رقمي (TDC) يعملان جنبًا إلى جنب: يحقق الصمام الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي معدل استجابة ضوئي >50 أمبير/ثانية عند الطول الموجي 905 نانومتر، ويوفر TIA عرض نطاق ترددي يبلغ 290 ميجاهرتز ويضمن وقت استرداد إشارة أقل من 10 نانوثانية، ويحقق TDC دقة زمنية تبلغ 20 ps لتحديد المدى الدقيق. ويستخدم النظام البصري عناصر بصرية حيود (DOE) للتحكم في الحزمة متعددة المناطق، مع تطبيقات نموذجية مثل بنية المسح الضوئي المكونة من 64 منطقة، مما يوفر الأساس للكشف عن الدقة المكانية.

الشكل 7 نظام VCSEL

4.3 حدود أداء سيناريو التطبيق

في السيناريوهات قصيرة المدى عالية الدقة (مثل أنظمة وقوف السيارات الأوتوماتيكية)، يمكن لتقنية dToF تحقيق دقة تحديد المواقع بدقة ± 1 سم في نطاق أقل من 10 أمتار، ولكنها تتطلب قمعًا خوارزميًا للتداخل متعدد المسارات الناجم عن الانعكاسات الأرضية. بالنسبة للكشف الديناميكي بعيد المدى (مثل أنظمة مساعدة السائقين المتطورة عالية السرعة)، يعتمد تحديد المدى الموثوق به الذي يتجاوز 200 متر على الجمع بين بواعث الليزر النبضية عالية الطاقة ومصفوفات الصمام الثنائي الفوتوني أحادي الفوتون (SPAD) متعددة الميغابيكسل للتغلب على التوهين الجوي وتدهور نسبة الإشارة إلى الضوضاء الناجم عن الأهداف المتحركة.

5 إطار التآزر الصناعي: التكامل متعدد المواد يقود ابتكار النظام

يعتمد التطور التكنولوجي لمركبات الطاقة الجديدة على التكامل العميق لأنظمة تخزين طاقة البطاريات ووحدات التحكم في أشباه الموصلات وأجهزة الاستشعار بالليزر عبر مجالات فيزيائية متعددة. على مستوى تدفق الطاقة، تعمل وحدات الطاقة من كربيد السيليكون (SiC) على تقليل خسائر التبديل بنسبة 50%، مما يتيح لمنصات الجهد العالي 800 فولت دعم الشحن السريع للبطارية ذات الحالة الصلبة بمعدل 4C مع تقليل الحمل على أنظمة الإدارة الحرارية؛ ويتضمن تنسيق تدفق المعلومات معالجة بيانات سحابة نقاط ليدار (dToF) في الوقت الفعلي بواسطة وحدة تحكم في المجال (مع قدرة حوسبة تزيد عن 100 TOPS)، وتعديل طاقة خرج البطارية ديناميكيًا (مع تأخير استجابة أقل من 100 مللي ثانية) لتحقيق التوزيع الأمثل لكفاءة عزم الدوران; يتم تحقيق تنسيق تدفق السلامة من خلال دمج بيانات المستشعرات المتعددة لحزمة البطارية (درجة الحرارة/الجهد/التشوه) مع بيانات اكتشاف العوائق بالليزر، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل أجهزة SiC في غضون 2 ميكروثانية لمنع الانتشار الحراري الجامح.

5.1 دراسة حالة التعاون على مستوى المكوّنات الأساسية

توضّح سلسلة حماية سلامة الشحن فائق السرعة تفاعلاً نموذجياً: تقوم محطة شحن فائق السرعة بقدرة 480 كيلوواط بإخراج جهد عالي 800 فولت إلى الشاحن المدمج في SiC (OBC)، مما يدفع بطارية الحالة الصلبة إلى الشحن بمعدل 4C. عندما يتجاوز تدرج درجة حرارة البطارية 5 درجات مئوية، تولد رقاقة الإدارة الحرارية إشارة PWM لتنشيط مضخة التبريد، بينما يراقب الليزر ذو التجويف العمودي الباعث للسطح (VCSEL) درجة الحرارة بدقة ± 0.1 درجة مئوية في نفس الوقت، مما يشكل نظام حماية ثلاثي المستويات "مراقبة الليزر - الحد من التيار الديناميكي للتيار - إيقاف تشغيل SiC". يسلط سيناريو التحكم التكيفي في السرعة الضوء على تحسين كفاءة الطاقة: يكتشف نظام الليدار المسافة إلى السيارة في الأمام بدقة ± 10 سم حتى 200 متر، وتحسب وحدة التحكم في المجال (128 TOPS قوة الحوسبة) عزم الدوران المطلوب، وتقوم شريحة الطاقة بضبط تردد التبديل (16 كيلو هرتز إلى 50 كيلو هرتز)، ويخرج نظام البطارية 30-150 كيلو واط من الطاقة حسب الحاجة (مع تذبذب في SOC <1% لكل كيلومتر). تم التحقق من صحة هذه السلسلة التعاونية لزيادة المدى بنسبة 12% في ظروف WLTC.

5.2 التحديات والاختراقات في تفاعل واجهة المواد

يؤثر التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) بين البطاريات وأشباه الموصلات على دقة أنظمة إدارة البطاريات. يمكن أن يحقق استخدام أغشية التدريع النانوية البلورية النانوية توهيناً يزيد عن 30 ديسيبل. تتم معالجة مشكلة الضوضاء الحرارية لرقائق الترددات البصرية بالليزر عن طريق تبريد ركيزة الجرمانيوم-السيليكون (SiGe) بمقدار 50 درجة مئوية لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. يتم حل الانحرافات الضوئية الناجمة عن اهتزازات البطارية باستخدام خوارزميات المحاذاة النشطة (بدقة تعويض تبلغ ± 0.05 درجة). يشير نموذج مجموعة بوسطن الاستشارية إلى أن مثل هذه التقنيات التآزرية يمكن أن تخفض تكلفة السيارة بأكملها بنسبة 18% بحلول عام 2030، مع قيمة مستمدة من زيادة 40% في قيمة إعادة استخدام البطارية، وتحسين كفاءة الطاقة في أشباه الموصلات بنسبة 15% لتمديد المدى، وخفض تكاليف الليدار إلى 500 دولار لكل وحدة من خلال المكاسب النظامية.

6 الخلاصة

انتقل تطوير مركبات الطاقة الجديدة من مرحلة الابتكارات التكنولوجية الفردية إلى مرحلة التآزر المنهجي بين البطاريات وأشباه الموصلات ومواد الليزر. وتشكل هذه العناصر الثلاثة منظومة تكنولوجية ذات حلقة مغلقة من خلال التفاعل العميق في تدفقات الطاقة والمعلومات والسلامة.

في بُعد الطاقة، تقلل وحدات الطاقة من كربيد السيليكون من خسائر التبديل بنسبة 50%، مما يمكّن منصة 800 فولت من تحقيق شحن سريع بمعدل 4C مع تقليل أحمال الإدارة الحرارية للبطارية في الوقت نفسه؛ وفي بُعد المعلومات، تتم معالجة بيانات سحابة نقطة ليدار في الوقت الفعلي بواسطة وحدة التحكم في المجال (مع زمن انتقال أقل من 100 مللي ثانية)، مما يؤدي إلى تحسين إخراج طاقة البطارية وتوزيع عزم الدوران بشكل ديناميكي؛ وفي بُعد السلامة، تؤدي آلية دمج أجهزة الاستشعار المتعددة إلى إيقاف تشغيل أجهزة أشباه الموصلات في غضون 2 ميكروثانية لمنع الانتشار الحراري الجامح.

وينتج عن هذا التآزر فوائد كبيرة متعددة المجالات: تؤدي كفاءة أشباه الموصلات المحسنة إلى زيادة المدى بنسبة 12% (في ظل ظروف WLTC)، وتقل تكاليف الليدار إلى 500 دولار لكل وحدة، وتزيد قيمة إعادة استخدام البطارية بنسبة 40%، ويؤدي النظام إلى خفض تكاليف السيارة بنسبة 18% بحلول عام 2030. ستركز الاختراقات المستقبلية على النقل التآزري البيني بين البطاريات ذات الحالة الصلبة بالكامل وأشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة (GaN-on-SiC)، والاستشعار والحوسبة المتكاملة على الرقائق الضوئية، وتطوير عدسات فائقة تعتمد على الذكاء الاصطناعي (كفاءة حيود تتجاوز 90%) ومواد التدريع الكهرومغناطيسي (توهين يتجاوز 50 ديسيبل). فقط من خلال كسر الحواجز التخصصية بين علوم المواد والإلكترونيات الضوئية والكيمياء الكهربائية يمكن للجيل القادم من المركبات الذكية تحقيق ثورة تكنولوجية نموذجية تتميز بـ "السلامة الجوهرية والكفاءة العالية جداً وإعادة التدوير المستدام".

وتفخر Stanford Advanced Materials بدعم رواد الصناعة من خلال مجموعتها الشاملة من هذه المواد المصممة خصيصاً للبطاريات وأشباه الموصلات وتقنيات الليزر. نحن ندعو الباحثين والمصنعين للتعاون معنا والاستفادة من خبراتنا لقيادة مستقبل مركبات الطاقة الجديدة الذكية والفعالة والمستدامة.