ماذا تعرف عن البطاريات الجديدة لتشغيل المركبات الكهربائية؟

نشرت مجلة "إيكونوميست" تقريرا، قالت فيه إن "المباني الرمادية الشاهقة التي تغطي المجمع الصناعي في نيسا، في جنوب غرب بولندا، تبدو وكأنها مصنع سيارات حديث تم نقله إلى الأراضي الزراعية المحيطة به. ومع ذلك، فإن المصنع لا يصنع السيارات، ولكنه جزء جديد وحيوي من سلسلة توريد السيارات الكهربائية(EVS)". 

وأوضحت أنه "يتم الاعتماد على بطاريات تحتوي على مواد قد تكون باهظة الثمن، ويصعب الحصول عليها، وتتم معالجتها في الغالب في الصين.

المصنع الموجود في نيسا هو أول مصنع ينتج هذه المواد على نطاق واسع في أوروبا".

وتابعت: "تعد بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) التي تزود معظم المركبات الكهربائية بالطاقة هي العنصر الوحيد الأكثر تكلفة فيها، حيث تمثل عادة حوالي 40 في المئة من سعر السيارة عندما تكون جديدة. تحدد المواد التي تصنع منها هذه البطاريات أداءها، وبالتالي فهي تساعد في تحديد المدى الذي يمكن أن تقطعه السيارة الكهربائية بشحنة واحدة، ومدى السرعة التي يمكن أن تسير بها، ومدة استمرار البطارية". 

"وفي المقابل، فإن العنصر الأكثر أهمية في تلك البطاريات هو كاثوداتها، حيث يمثل حوالي نصف قيمتها. يقوم مصنع نيسا بتصنيع مواد الكاثود، مما يضعه في قلب ثورة البطاريات"، يردف التقرير نفسه.
ويسترسل: "مع تباطؤ مبيعات السيارات الكهربائية في بعض الأسواق، تأمل شركات صناعة السيارات في زيادة مبيعاتها باستخدام بطاريات أرخص وأكثر قوة. ومع ذلك، يمكن للمواد الرخيصة أن توفر مستوى منخفضا من الأداء، لذلك من المرجح أن يتم استخدامها في سيارات المدينة ذات المدى الأقصر". 

وتستهدف الإصدارات عالية الأداء الأكثر تكلفة السيارات الفاخرة والرياضية. وفي مكان ما في المنتصف توجد إصدارات من كليهما. ما يعنيه كل هذا هو أن المركبات الكهربائية سوف تستخدم العديد من أنواع البطاريات المختلفة، وسوف يحتاج كل إصدار إلى مزيج مختلف من مادة الكاثود النشطة (CAM).

إلى ذلك، تظهر نيسا كيف تستعد الصناعة لمستقبل البطاريات المتعددة. فيما يقول ماثياس ميدريتش، وهو رئيس مجموعة أوميكور، وهي مجموعة مواد مقرها بروكسل والتي تمتلك عملية نيسا: "نحن لا نشجع حصانا واحدا". وتنعكس هذه الاستراتيجية في تصميم المصنع. يتم تكوين معظم المصانع بطريقة خطية، حيث تتقدم المواد الخام على طول خط الإنتاج أثناء تنفيذ العمليات. 

وتعمل مصانع مادة الكاثود النشطة الحالية التابعة لشركة Umicore في الصين وكوريا الجنوبية بهذه الطريقة. ومع ذلك، في نيسا، يتم ترتيب الإنتاج على شكل وحدات. ويتم تنفيذ العمليات المختلفة في مبانٍ منفصلة، حيث يتم نقل المواد فيما بينها في حاويات عملاقة تشبه الأكياس. وهذا يسمح بتحويل الإنتاج بسرعة إلى تصنيع كيمياء بديلة للبطاريات وفقا للطلب، وإدخال عمليات جديدة بسهولة أكبر مع تطور التقنيات. يتم استخدام هذا الترتيب كقالب لمصنع مادة الكاثود النشطة الذي تقوم الشركة ببنائه في كندا.

في الوقت الحاضر، المادة الخام الرئيسية التي تدخل مصنع نيسا هي الليثيوم، والذي يأتي معظمه من مناجم في تشيلي وأستراليا. وبعد الاختبارات، يتم مزجه مع مجموعات مختلفة من النيكل والمنغنيز والكوبالت قبل طبخه في أفران عملاقة. ثم يتم غربلتها وتنظيفها وإرسالها إلى صانعي البطاريات لإنتاج ما يسمى بخلايا بطارية NMC. الأساليب الدقيقة المستخدمة في نيسا معقدة وملكيتها الفكرية مسجلة. يتم إعفاء الزوار والموظفين من هواتفهم بالإضافة إلى العناصر الأخرى، بما في ذلك المجوهرات (تستخدم بعض المعدات قوى مغناطيسية حساسة).

يقوم صانعو البطاريات بطلاء رقائق معدنية بمادة الكاثود النشطة لصناعة كاثودات. عندما يتم شحن البطارية، يتم تجريد الإلكترونات من ذرات الليثيوم الموجودة على الكاثود، مما يؤدي إلى تكوين جسيمات مشحونة تسمى الأيونات. وتهاجر الأيونات عبر محلول إلكتروليت سائل إلى قطب كهربائي آخر، يسمى الأنود، والذي غالبا ما يكون مصنوعا من الكربون. الإلكترونات، التي تم منعها من اتخاذ هذا المسار بواسطة مادة فاصلة، تنتقل بدلا من ذلك عبر أسلاك دائرة الشحن إلى القطب الموجب حيث يتم جمعها مع الأيونات وتخزينها. 

عندما يتم تفريغ البطارية، تنعكس العملية، حيث تعطي البطارية طاقة تشغيل الأجهزة مثل المحرك الكهربائي للسيارة في هذه العملية. 

تحاول معظم شركات صناعة السيارات استخدام كميات أقل من الكوبالت، أو التخلص منه تماما. فهو ليس باهظ الثمن وساما ونادرا فحسب، بل تم ربط تعدين الكوبالت بانتهاكات حقوق العمال في جمهورية الكونغو الديمقراطية، المصدر الرئيسي له. لهذا السبب، تستخدم أوميكور عملية مراقبة لاستبعاد الممارسات غير الأخلاقية. أصبحت إمكانية التتبع هذه ذات أهمية متزايدة، على الأقل في الاتحاد الأوروبي حيث ستكون "جوازات سفر البطارية" مطلوبة للمركبات الكهربائية اعتبارا من شباط/ فبراير 2027. وسوف تتضمن هذه البيانات تفاصيل مصدر وطبيعة المواد المستخدمة في إنتاجها.

بديل أرخص لخلايا NMC يستخدم فوسفات الحديد والليثيوم (LFP). هذه البطاريات تستغني عن الكوبالت والنيكل، ولكن لديها كثافة طاقة أقل. بالنسبة لبعض الاستخدامات قد لا يهم هذا. في الصين، أثبتت المركبات التي تعمل ببطاريات LFP شعبيتها لدى سائقي السيارات في المناطق الحضرية الذين يسافرون لمسافات أقصر. تستخدم بعض سيارات Tesla ذات النطاق القياسي أيضا خلايا LFP.

البديل الآخر لليثيوم هو الصوديوم، والذي على الرغم من كونه أثقل إلا أنه غير مكلف ومتوفر. يمكن أن تستخدم بطاريات الصوديوم كاثودات مصنوعة من معادن رخيصة نسبيا، مثل المنغنيز والحديد، ولكنها أيضا تتمتع بمستوى أداء أقل من خلايا NMC. ويعمل عدد من شركات صناعة البطاريات، بما في ذلك شركة CATL الصينية، وهي الأكبر في العالم، على إنشاء خطوط إنتاج لخلايا الصوديوم. 

وتعتقد شركة  idTechEx، وهي شركة للمحللين، أنها قد تكون أرخص بنسبة 20-30 في المئة من بطاريات Li-ion. أحد الأسواق الضخمة المحتملة هو تخزين الطاقة المتجددة على الشبكة، حيث يمثل الوزن الزائد مشكلة أقل.

وفي الوقت نفسه، تتحسن بطاريات Li-ion أيضا. هناك إصدارات قوية من الحالة الصلبة، والتي لا تحتاج إلى إلكتروليت سائل، تلوح في الأفق. وتقوم شركة تويوتا، من بين شركات أخرى، بتطوير هذه السيارات.

وستكون أصغر حجما وأخف وزنا، مما يضاعف نطاق المركبات الكهربائية الحالية ويقلل أوقات إعادة الشحن إلى بضع دقائق. في البداية ستكون هذه باهظة الثمن ومن المحتمل أن تظهر في النماذج الفاخرة والرياضية. بدأت   Umicore  في إنتاج بطاريات الحالة الصلبة في مركز نماذج أولية مخصص لهذا الغرض في أولين، بلجيكا، لاختبارها في المركبات.

لا يزال المزيد من كيمياء البطارية قادما. تستكشف Umicore مادة DRX (الملح الصخري المضطرب) الذي يشير إلى بنية بلورية يمكن أن تمنح خلايا أيون الليثيوم كثافة طاقة تتطابق مع الكوبالت والنيكل، ولكن مع مواد متاحة بسهولة أكبر، مثل المنغنيز والتيتانيوم. يعتقد جيربراند سيدر وزملاؤه في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، أن بطاريات DRX قد تكون متاحة تجاريا في غضون خمس سنوات.

على الرغم من التباطؤ في مبيعات السيارات الكهربائية، فإن الطلب على مواد البطاريات يزدهر. مصنع نيسا، الذي تم افتتاحه في أيلول/ سبتمبر 2022، يتوسع بالفعل ويتم بناء مصنع ثان مجاور في مشروع مشترك مع PowerCo، وهي الشركة التي تجمع بين أنشطة البطاريات التابعة لمجموعة فولكس فاجن. يتمتع المصنعان معا بالقدرة على إنتاج أكثر من 200 غيغاوات ساعة من مادة الكاثود سنويا، وهو ما يكفي لحوالي 3 ملايين سيارة كهربائية.

وعلى الجانب الآخر من البطارية، بدأت الأنودات أيضا تشهد المزيد من الابتكار. بدأت شركة Group14 Technologies، وهي شركة مقرها بالقرب من سياتل، في تصنيع مادة أنود مصنوعة من مركب السيليكون والكربون. عادة، الأنودات مصنوعة من الجرافيت. ومن الناحية النظرية، يستطيع السيليكون، المتوافر بكثرة وغير مكلف، أن يمتص أيونات الليثيوم أكثر بعشر مرات من الجرافيت. 

ومع ذلك، عند القيام بذلك، يمكن أن يتضخم السيليكون إلى ثلاثة أو أربعة أضعاف حجمه، مما يجعل البطاريات التي تستخدمها عرضة للتلف. يحتوي مركب المجموعة 14 على التوسع لأنه يحبس السيليكون في "ففص" مصنوع من جزيئات الكربون النانوية، كما يوضح غرانت راي، رئيس الاستراتيجية في الشركة. 

سيسمح ذلك للأنود المصنوع من السيليكون بتعزيز كثافة طاقة البطارية بنسبة تصل إلى 50 في المئة. ومع قيام الشركة بتوسيع إنتاجها، فمن المرجح أن يكون للبطاريات الأولى التي تستخدم أنودات السيليكون تطبيقات عالية الأداء، وتعد شركة بورشه، وهي شركة ألمانية لصناعة السيارات الرياضية، أحد داعمي الشركة.

إن كيفية تطور كل هذه التقنيات المنافسة للبطاريات ستعتمد على أسعار المواد. إن الاستخدام المتزايد للمواد الرخيصة، مثل الصوديوم، يمكن أن يخفف الضغط على إمدادات الليثيوم والنيكل والكوبالت.

وكذلك الأمر بالنسبة لإعادة التدوير، لأن كمية متزايدة من مواد البطاريات ستأتي من خلال تدوير عدد متزايد من المركبات الكهربائية التي تصل إلى نهاية الخدمة. سيكون اختيار البطاريات الفائزة أمرا صعبا بالفعل. مثل المصنع في نيسا، تحتاج صناعة البطاريات إلى كل المرونة التي يمكنها الحصول عليها.

المصدر: عربي21