نظرًا لأن السوق يتوقع نموًا ثابتًا في مبيعات السيارات الكهربائية في العقد المقبل ، فإن العديد من المبادرات الحكومية تجاه تغير المناخ تتعامل أيضًا مع وقف المركبات التي تعمل بالوقود. يتم دعم نمو EV بواسطة بطاريات كهربائية قابلة لإعادة الشحن ، وهي الهيكل الأساسي لاستخدام الطاقة النظيفة والمتجددة. تستخدم المركبات الكهربائية بطاريات مجموعة نقل الحركة التي توفر الطاقة لجميع مكونات المحرك لتعمل كما هو متوقع.
لقد ثبت أن إنتاج بطاريات توليد القوة الكهربائية أمر مكلف من الناحية البيئية ، ولكن لسوء الحظ ، لا يتعامل سوى عدد قليل من صانعي السيارات مع المشكلة بجدية. المواد الخام المستخدمة في صنع هذه البطاريات هي الليثيوم ومشتقاته. تشمل هذه المتغيرات نيكل الكوبالت والمنغنيز والعديد من المواد الأخرى. المادة المهيمنة على السوق هي الكوبالت المنغنيز ، والذي تستخدمه العديد من شركات السيارات الكهربائية. لكن من ناحية أخرى ، تستخدم تسلا مزيجًا من كوبالت الليثيوم والمنغنيز. يعمل عدد قليل من صانعي السيارات على محرك جديد سيكون خاليًا من الكوبالت ؛ ومع ذلك ، لا يزال الكوبالت يمثل معدنًا أساسيًا سيكون من الصعب بدونه إنتاج مجموعة نقل الحركة الكهربائية.
تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية المحمولة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. يتم استخدامها أيضًا في المركبات الكهربائية نظرًا لكثافة طاقتها الأعلى من بطاريات حمض الرصاص أو بطاريات هيدريد معدن النيكل. تتيح هذه الميزة لشركات تصنيع السيارات تطوير بطاريات أصغر دون التضحية بسعة التخزين. تُظهر بطاريات Li-ion أيضًا نسبة طاقة إلى وزن عالية ، وكفاءة طاقة عالية ، وأداء درجات حرارة عالية ، وتفريغ ذاتي منخفض. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعادة تدوير الأجزاء المختلفة لبطاريات Li-ion ، مما يجعلها خيارًا صديقًا للبيئة. يستكشف القسم التالي طريقة عمل بطارية Li-ion الأساسية.
كيف تعمل بطارية Li-ion؟
تعمل بطاريات Li-ion على مبدأ التفاعلات الكهروكيميائية ، حيث يحدث نقل الإلكترونات بين قطبين ، أحدهما سالب الشحنة والآخر مشحون إيجابياً. يتم غمر الأقطاب الكهربائية في إلكتروليت موصل ، مما يسهل حركة الأيونات المشحونة بينهما.
شحن بطارية ليثيوم أيون
تحتوي خلايا Li-ion على مركبات إقحام تتميز ببنية بلورية بطبقات تسمح بالانتقال أو ترسيب أيونات الليثيوم. عند شحن بطارية Li-ion ، تنتقل الأيونات من القطب الموجب إلى القطب السالب أثناء تداخلها وتنتظر دورة التفريغ التالية.
يعرض أحدث جيل من البطاريات قابلية تنقل أيونية مُحسّنة ، مما يتيح شحنًا أسرع دون المخاطرة المرتبطة بارتفاع درجة الحرارة. استجابةً لذلك ، طور صانعو الرقائق مجموعة من الحلول المتكاملة لإدارة بطاريات Li-ion التي تبسط تصميم أجهزة الشحن. تقدم هذه الشركات الآن السيليكون الذي يمكّن المهندسين من تصميم منتجات قادرة على الاستفادة من معدلات الشحن المتسارعة خلال مرحلة التيار الثابت.
تفريغ بطارية ليثيوم أيون
أثناء التفريغ ، تنتقل الأيونات من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر إلكتروليت سائل ، بينما تتدفق الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر دائرة خارجية توفر الطاقة للأجهزة الإلكترونية. ينتج عن الجمع بين الأيونات والإلكترونات في القطب الموجب ترسب الليثيوم. بمجرد عودة جميع الأيونات إلى القطب الموجب ، يتم تفريغ البطارية بالكامل وتتطلب إعادة الشحن.
أثناء عملية التفريغ في المركبات الكهربائية ، يتم استنفاد الطاقة المخزنة للبطارية ، ويقل جهد البطارية مع تدفق التيار الكهربائي من البطارية إلى المحرك. يعتمد معدل التفريغ على الطلب على الطاقة للمحرك وسعة البطارية ، والتي تحدد كمية الطاقة التي يمكن توصيلها قبل أن تتطلب البطارية إعادة الشحن. يعتبر التفريغ الفعال للبطارية أمرًا ضروريًا لتحسين نطاق وأداء المركبات الكهربائية.
تعبير بطارية ليثيوم أيون
يتم التعبير عن معادلة شحن البطارية بالنسبة لسعة البطارية. يعتمد ذلك على القيمة العددية لسعة البطارية المقدرة بالساعات أمبير والوقت الذي يتم فيه الإعلان عن هذه القيمة. يتم تعريف المعادلة على النحو التالي:
أين أنا هو تيار الشحن أو التفريغ بالأمبير ، م هو عامل الضرب ل جو ج هي القيمة العددية للقدرة المقدرة بالساعات أمبير و ن هو الوقت بالساعات الذي ج يتم تحديد.
ما هي معايير الصناعة لتطوير بطاريات السيارات الكهربائية؟
حاليًا ، يتضمن معيار الصناعة لتطوير بطاريات السيارات الكهربائية استخدام تقنية Li-ion ، التي شهدت تطورات كبيرة على مدار الثلاثين عامًا الماضية. بينما توفر هذه البطاريات كثافة طاقة فائقة مقارنة بالتقنيات الأخرى ، فإنها تتطلب تحكمًا دقيقًا في عمليات إعادة الشحن والتغليف المناسب. في الوقت الحاضر ، تعتبر تقنية Li-ion الخيار الأمثل لتحقيق مزيج من السعة ومرونة إعادة الشحن والمتانة.
على الرغم من الضجة الكبيرة حول بطاريات الحالة الصلبة بالكامل ، فإن تطوير مثل هذه البطاريات لم يتقدم بعد بشكل كافٍ لجعلها المصدر الأساسي لإنتاج بطاريات المركبات الكهربائية. تهدف هذه البطاريات إلى استبدال الإلكتروليت السائل لبطاريات Li-ion التقليدية بمادة صلبة ، والتي قد تتخذ شكل بوليمرات أو مساحيق غير عضوية ، مثل السيراميك.
يمكن للإلكتروليت السائل في بطاريات Li-ion أن يخترق كلاً من الكاثود والأنود. يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع التحلل الكيميائي للإلكتروليت ، ويمكن أن تؤدي قابلية الاشتعال للمذيبات العضوية إلى حدوث أعطال بالنظام وحرائق. وعلى العكس من ذلك ، فإن جميع البطاريات الصلبة غير متطايرة ومن المتوقع أن تظل مستقرة وآمنة في درجات الحرارة المرتفعة.
يركز صانعو السيارات الكهربائية مثل نيسان على تطوير بطاريات الحالة الصلبة. بدأت الشركة بالفعل في تطوير نموذج أولي في مركز أبحاث نيسان في محافظة كاناغاوا ، وتستمر العملية عام واحد. كشفت نيسان أيضًا أنها ستصنع الدفعة الأولى من بطارياتها الصلبة ، الخالية من الإلكتروليتات السائلة ، في عام 2025 ، مع خطط لإطلاق الإنتاج الضخم بحلول عام 2028.
مراجع
1كليفلاند ، ت. ، وديربورن ، س. (2018). “تطوير أنظمة طاقة ذات إشارات مختلطة ميسورة التكلفة لتطبيقات شاحن البطاريات.” شركة Microchip Technology Inc.
2كوانتوم سكيب. (20 ديسمبر 2022). “QuantumScape يشحن أول خلايا بطارية نموذجية من 24 طبقة إلى مصنعي المعدات الأصلية للسيارات.” بيان صحفي.
3شركة نيسان موتور. “تقنية بطارية عالية الجودة تعزز أداء المركبات الكهربائية بشكل كبير.”
4دنيستران ، آي (6 فبراير 2023). “نيسان ستطلق EV مع بطاريات الحالة الصلبة في خمس سنوات.”
5مجموعة رينو. (18 أكتوبر 2019). “أنواع مختلفة من بطاريات السيارات الكهربائية.”
قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
