أنواع المواد المركبة للبطارية

بطارية المركبة الكهربائية هي تستخدم في تزويد بالطاقة في الخالصة أو . إن أكثر أنواع بطاريات المركبات الكهربائية انتشاراً هي ؛ بالإضافة إلى ؛ وبشكل أقل . يمثل المعدن الأكثر أهمية في صناعة بطاريات السيارات الكهربائية، إذ تبلغ حصته نحو 65% من إجمالي المعادن المستخدمة في تلك الصناعة. بطارية المركبة الكهربائية هي تستخدم في تزويد بالطاقة في الخالصة أو . إن أكثر أنواع بطاريات المركبات الكهربائية انتشاراً هي ؛ بالإضافة إلى ؛ وبشكل أقل . يمثل المعدن الأكثر أهمية في صناعة بطاريات السيارات الكهربائية، إذ تبلغ حصته نحو 65% من إجمالي المعادن المستخدمة في تلك الصناعة. تزداد شعبية (LFP) حيث وصلت إلى حصة سوق عالمية بنسبة 41٪ من حيث السعة للسيارات الكهربائية بالكامل في عام 2023. تتميز هذه البطاريات بأنها أثقل ولكنها أرخص وأكثر استدامة. في الوقت نفسه، تستخدم أولى سيارات الركاب التجارية (Na-ion) لتجنب الحاجة إلى المعادن الأساسية تمامًا. تشكل البطارية جزءًا كبيرًا من تكلفة وتأثير على البيئة. أدى النمو في هذه الصناعة إلى الاهتمام بتأمين سلاسل توريد البطاريات، وهو ما يطرح العديد من التحديات وأصبح قضية جيوسياسية مهمة. اعتبارًا من ديسمبر 2019، انخفضت تكلفة بطاريات السيارات الكهربائية بنسبة 87٪ منذ عام 2010 على أساس كل كيلووات في الساعة. تجاوز طلب بطاريات السيارات الكهربائية 750 جيجاوات في الساعة في عام 2023. تتمتع بطاريات السيارات الكهربائية بسعة أكبر بكثير من بطاريات السيارات المستخدمة للتشغيل والإضاءة والاشتعال في السيارات التي تعمل بالاحتراق. بلغ متوسط سعة بطارية طرازات السيارات الكهربائي. . اعتبارًا من عام 2024، تهيمن بطارية الليثيوم أيون مع الأنواع الفرعية بطارية وبطارية فوسفات الحديد والليثيوم وبطارية أكاسيد الألومنيوم والنيكل والليثيوم والكوبالت على سوق السيارات الكهربائية بالكامل. وصل إجمالي القدرة الإنتاجية العالمية في عام 2023 إلى ما يقرب من 2000 جيجاوات في الساعة مع استخدام 772 جيجاوات في الساعة للسيارات الكهربائية في عام 2023. يتركز معظم الإنتاج في الصين حيث ارتفعت القدرات بنسبة 45٪ في تلك السنة. بفضل كثافة الطاقة العالية وعمر الدورة الطويل، أصبحت بطاريات الليثيوم أيون النوع الرائد للبطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية. طُورت وسُوقت في البداية للاستخدام في أجهزة والإلكترونيات الاستهلاكية. تستخدم السيارات الكهربائية الحديثة أشكالًا جديدة على كيمياء الليثيوم أيون تتخلى عن طاقة محددة وقوة محددة لتوفير مقاومة للحريق وصديقة للبيئة وشحن سريع وعمر أطول. وقد ثبت أن هذه الأنواع الفرعية لها عمر افتراضي أطول بكثير. تُعد أكاسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت (Lithium nickel manganese cobalt oxides) مواد عالية الأداء وأصبحت المعيار العالمي في إنتاج السيارات الكهربائية بالكامل منذ عام 2010. من ناحية أخرى، يؤدي استغلال المعادن المطلوبة إلى مشاكل بيئية. تشمل عيوب هذه البطاريات التقليدية الحساسية ، وأداء ضعيف للطاقة في درجات الحرارة المنخفضة، وتدهور الأداء مع تقدم العمر. نظرًا لتقلب المنحلات الكهربائية العضوية، ووجود أكاسيدات المعادن المؤكسدة بشدة، وعدم الاستقرار الحراري لطبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب ، فإن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية تشكل خطرًا على السلامة من الحرائق في حالة ثقبها أو شحنها بشكل غير صحيح. لم تقبل الخلايا الأولى الشحن أو تمدده بالطاقة عندما تكون باردة جدًا. يمكن استخدام آلية تسخين في بعض المناخات لتدفئتها. ومع ذلك، هناك بعض المخاطر المرتبطة بهذا النوع من تقنية البطاريات. تتمتع بطارية فوسفات الليثيوم الحديدي بمدى قصير ولكنها أرخص وأكثر أمانًا واستدامة من بطارية الليثيوم-نيكل والمنغنيز والكوبالت. لا تتطلب المعادن الأساسية و. منذ عام 2023، أصبحت بطارية فوسفات الحديد والليثيوم التكنولوجيا الرائدة في الصين بينما تظل حصة السوق في أوروبا وأمريكا الشمالية أقل من 10%. يُعد هذه البطارية النوع السائد في . بطاريات تيتانات الليثيوم أو أكسيد الليثيوم والتيتانيوم معروفة بمستوى السلامة العالي فيها، حيث تقلل من خطر وتعمل بفعالية في نطاق واسع من درجات الحرارة. تتميز هذه البطاريات بعمر دورة مثير للإعجاب، غالبًا ما يتجاوز 10,000 دورة شحن وتفريغ. كما تتمتع بقدرات شحن سريعة بسبب قبولها الشحن العالي. ومع ذلك، فإن لديها أقل مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون الأخرى. تتجنب بطارية أيونات الصوديوم تماماً المواد النادرة. وبسبب التوفر العالي الموجود في مياه البحر، فإن توقعات التكلفة منخفضة. وفي أوائل عام 2024، بدأت العديد من الشركات المصنعة الصينية بتسليم أولى طرازاتها. ويرى المحللون إمكانية عالية لهذا النوع خاصة للاستخدام في السيارات الكهربائية الصغيرة والدراجات ومركبات ثلاث عجلات. هناك عدة أنواع قيد التطوير. • قد توفر كثافة طاقة عالية وتحسينات محتملة للسلامة. •  من المتوقع أيضًا أن تلبي متطلبات الأداء العالية. • بطارية الليثيوم والمنجنيز والحديد والفوسفات (LMFP) هي بطارية فوسفات الحديد والليثيوم تتضمن المنغنيز كمكون كاثود.في القرن العشرين، استخدمت معظم السيارات الكهربائية مغمورة بسبب تقنيتها الناضجة وتوفرها العالي وتكلفتها المنخفضة. وقد زودت البطاريات الرصاصية الحمضية السيارات الكهربائية الحديثة المبكرة مثل الإصدارات الأصلية لعام 1996 من جنرال موتورز اي في 1 بالطاقة. هناك نوعان رئيسيان من البطاريات الرصاصية الحمضية: بطاريات تشغيل محرك السيارة، والبطاريات الدورية العميقة التي توفر الكهرباء المستمرة لتشغيل المركبات الكهربائية مثل أو عربات الجولف. كما تُستخدم البطاريات الدورية العميقة كبطاريات مساعدة في المركبات الترفيهية، ولكنها تتطلب شحنًا متعدد المراحل مختلفًا. قد يؤدي التفريغ إلى أقل من 50٪ إلى تقصير عمر البطارية. تتطلب البطاريات المغمورة فحص مستويات الإلكتروليت والاستبدال الدوري للمياه، والتي تتبخر أثناء دورة الشحن العادية. تتمتع السيارات الكهربائية المزودة ببطا. . سلسلة CTx: • خلية إلى وحدة (CTM) - وُضعت خلايا البطارية في وحدات، ثم في حزمة البطارية.• خلية إلى حزمة (CTP) - وُضعت خلايا البطارية في حزمة البطارية بدون وحدات.• خلية إلى هيكل (CTC) - وُضعت خلايا البطارية في الإطار أو الهيكل ، ويمكن استخدام البطاريات كجزء من السلامة الهيكلية أو لزيادة القوة الهيكلية.• خلية إلى جسم (CTB) - وُضعت خلايا البطارية في جسم السيارة. . في المرحلة الأولى، تُعدن المواد الخام في مناطق مختلفة من العالم. تسيطر الصين حاليًا على جميع الخطوات التالية. بعد أن تقوم مصانع المعالجة الأولية بتكرير المواد، تشتريها شركات تصنيع البطاريات وتصنع البطاريات وتجمعها في حزم. تشتري شركات تصنيع السيارات هذه الحزم وتثبتها في السيارات. يوجد بشكل أساسي ثلاث مراحل خلال عملية تصنيع بطاريات السيارات الكهربائية: تصنيع المواد، وتصنيع الخلية، والتكامل، كما هو موضح في الرسم البياني لعملية تصنيع بطاريات السيارات الكهربائية بالألوان الرمادي والأخضر والبرتقالي على التوالي. لا تتضمن هذه العملية المعروضة تصنيع أجهزة الخلية، أي الأغلفة وجامعي التيار. خلال عملية تصنيع المواد، تُخلط المادة النشطة والإضافات الموصلة والرابط البوليميري و أولاً. بعد ذلك، تُطلى على جامعي التيار استعدادًا لعملية التجفيف. خلال هذه المرحلة، تعتمد طرق صنع المواد النشطة على القطب والكيمياء. تستخدم في الغالب أكاسيد فلزات انتقالية، أي أكاسيد ليثيوم نيكل منجنيز كوبالت (Li-NMC)، أو فوسفاتات ليثيوم معدنية، أي فوسفاتات ليثيوم الحديد (LFP). المادة الأكثر شيوعًا للأقطاب السالبة هي . ومع ذلك، في الآونة الأخيرة، بدأت العديد من الشركات في صنع أنود مختلط وأنود ليثيوم معدني. بشكل عام، لإنتاج المواد النشطة، هناك ثلاث خطوات: إعداد المواد، ومعالجة المواد، و. في مرحلة تصنيع الخلية، يُعالج القطب المُعدّ للشكل المطلوب للتغليف في شكل أسطواني أو مستطيل أو كيس. ثم بعد ملء وإغلاق الخلايا، تُدور خلايا البطارية بعناية لتشكيل طبقة واقية على القطب السالب. بعد ذلك، تُجمع هذه البطاريات في حزم جاهزة لدمجها في السيارة. عندما تتدهور مجموعة بطاريات السيارة الكهربائية إلى 70٪ إلى 80٪ من سعتها الأصلية، تُعرّف بأنها قد وصلت إلى نهاية عمرها الافتراضي. إحدى طرق إدارة النفايات هي إعادة استخدام المجموعة. من خلال إعادة توجيه المجموعة للتخزين الثابت، يمكن استخراج قيمة أكبر من مجموعة البطاريات مع تقليل تأثير دورة الحياة لكل كيلو وات ساعة. يحدث التدهور غير المتساو وغير المرغوب فيه للبطارية أثناء تشغيل السيارة الكهربائية اعتمادًا على درجة الحرارة أثناء التشغيل وأنماط الشحن/التفريغ. يمكن أن تتدهور كل خلية بطارية بشكل مختلف أثناء التشغيل. حاليًا، يمكن استخراج معلومات حالة الصحة (SOH) من (BMS) على مستوى المجموعة ولكن ليس على مستوى الخلية. يمكن للمهندسين التخفيف من التدهور من خلال هندسة نظام إدارة الحرارة من الجيل التالي. يمكن استخدام (EIS) لضمان جودة مجموعة البطاريات. إن تفكيك الوحدات والخلايا عملية مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً. يجب تفريغ الوحدة بالكامل. ثم يجب تفكيك العبوة وإعادة تكوينها لتلبية متطلبات الطاقة والقدرة للتطبيق الثاني للحياة. يمكن لشركة إعادة التأهيل بيع أو إعادة استخدام الطاقة المُفرغة من الوحدة لتقليل تكلفة هذه العملية. تُستخدم الروبوتات لزيادة سلامة عملية التفكيك. تُعد تقنية البطاريات غير شفافة وتفتقر إلى المعايير. نظرًا لأن تطوير البطاريات هو الجزء الأساسي من السيارات الكهربائية، فمن الصعب على الشركة المصنعة وضع علامة على التركيب الكيميائي الدقيق و والإلكتروليتات على العبوة. بالإضافة إلى ذلك، تتغير السعة وتصميم الخلايا والعبوات سنويًا. تحتاج شركة إعادة التأهيل إلى العمل عن كثب مع الشركة المصنعة للحصول على تحديث في الوقت المناسب لهذه المعلومات. من ناحية أخرى، يمكن للحكومة وضع معيار للوضع. أخيرًا، انخفضت تكاليف البطاريات بشكل أسرع مما كان متوقعًا. قد تكون الوحدة المُجددة أقل جاذبية من البطاريات الجديدة بالنسبة للسوق. ومع ذلك، كانت هناك العديد من النجاحات في تطبيق الحياة الثانية كما هو موضح في أمثلة مشاريع التخزين باستخدام بطاريات السيارات الكهربائية في الحياة الثانية. تُستخدم هذه البطارية في تطبيق التخزين الثابت الأقل تطلبًا مثل تسوية الذروة أو التخزين الإضافي للمصادر المولدة القائمة على الطاقة المتجددة. على الرغم من أنه يمكن تمديد عمر بطارية السيارة الكهربائية من خلال تمكين تطبيق حياة ثانية، إلا أنه في النهاية يتعين بطاريات السيارات الكهربائية. إن قابلية إعادة التدوير ليست حاليًا اعتبارًا تصميميًا مهمًا بالنسبة لمصنعي البطاريات، وفي عام 2019 لم يُعاد تدوير سوى 5%. . انخفضت تكلفة البطارية المتوسطة بنسبة 90٪ منذ عام 2010 بسبب التطورات في كيمياء البطارية والتصنيع. تمثل البطاريات جزءًا كبيرًا من التكلفة الإجمالية للسيارة الكهربائية، غالبًا ما تمثل ما يصل إلى 30-40٪ من إجمالي سعر السيارة. ومع ذلك، فإن تكلفة بطاريات السيارات الكهربائية آخذة في الانخفاض بشكل مطرد على مر السنين بسبب التقدم التكنولوجي، و، وتحسينات عمليات . تأتي بطاريات السيارات الكهربائية عادةً مع ضمانات تغطي عددًا معينًا من السنوات أو الأميال، مما يعكس الثقة في متانتها وموثوقيتها بمرور الوقت. إن أكثر أنواع بطاريات المركبات الكهربائية انتشاراً هي بطاريات أيونات الليثيوم وبطارية بوليمرات الليثيوم ؛ بالإضافة إلى بطارية النيكل والكادميوم وبطارية النيكل وهيدريد الفلز ؛ وبشكل أقل بطارية الزنك.