لذلك لم يكن من المستغرب أن تُمنح جائزة نوبل لهذا العام لمجموعة من الباحثين الذين ابتكروا تقنية تغيير اللعبة هذه في القرن الحادي والعشرين. ولكن هناك الكثير من المفاهيم الخاطئة حول بطاريات Li-Ion وأريد التركيز على المفهوم الرئيسي: ليست جميع بطاريات Li-Ion متشابهة. في الواقع ، فهي مختلفة تماما. وأنا لا أقصد عامل الشكل ، فأنا أتحدث عن الكيمياء.
كما تعلمون بالفعل ، تعد بطاريات Li-Ion أخف نوع من البطاريات الموجودة حولها ، وبالتالي فهي تُستخدم في السيارات الكهربائية والهواتف الذكية. ولا ينبغي أن يكون سرًا في الوقت الحالي ، أن هذه البطاريات تفقد السعة والطاقة مع مرور الوقت ، وهو تأثير يمكنك مشاهدته على هاتفك الذكي: خارج الصندوق ، سيستمر لمدة يومين متتاليين ، بعد مرور عام على نفاد طاقة البطارية لن تستمر بالعمل لمدة 12 ساعة! ولكن هناك مواد يمكن أن تبطئ من تأثير الشيخوخة غلى البطارية، لكن من ناحية أخرى، تجعل هذه المواد البطاريات تميل إلى أن تصبح أثقل (كثافة طاقة أقل) وأكثر تكلفة. ترى أين أنا ذاهب؟
نوع البطارية المناسب لكل تطبيق
الحقيقة هي أنك تحتاج إلى الكيمياء المناسبة لتطبيقك. إذا استمرت بطارية الهاتف الذكي لمدة 2-3 سنوات عند إعادة شحنها كل يوم (تسمى الشحن / التفريغ بالكامل دورة ، لذلك في هذه الحالة حوالي 900 دورة) ، فهذا أمر جيد بالنسبة لمعظم. ربما تشتري iPhone أحدث بعد 2 سنوات على أي حال. في سيارة كهربائية ، تريد أن تدوم البطارية 10 سنوات على الأقل أو 250000 كم (مع نطاق إعلان تسلا النموذجي المعلن يبلغ 500 كم) ، مما يجعلها 500 دورة. وحالة استخدام جديدة إلى حد ما: كنت ترغب في شراء بطارية تخزن الطاقة الشمسية من السقف الخاص بك خلال النهار ، لاستخدامها في الليل. وتريد أيضًا أن تستمر هذه البطارية لمدة 10 سنوات ولكن إعادة شحنها كل يوم مرة واحدة على الأقل تتطلب أكثر من 3500 دورة استقرار.هناك العديد من كيمياء البطارية المختلفة المتاحة. مبدأ العمل لبطارية Li-Ion هو نفسه دائمًا. باختصار: تتكون بطارية Li-Ion من قطبين ، موجب (أنود ، +) وسالب (كاثود ، -) مقسوم على فاصل (صفائح بلاستيكية رقيقة مع ثقوب بحجم النانومتر) التي تسمح بمرور أيونات معينة ، مثل أيونات الليثيوم. وترد هذه الأيونات الليثيوم في المنحل بالكهرباء السائل الذي يملأ الفجوة بين القطبين. ومن هنا جاءت تسميته: بطاريات ليثيوم أيون. الشيء الوحيد الذي يختلف في كيمياء مختلفة هو الجانب الكاثود لخلية البطارية ، في حين أن الأنود حاليا هو الجرافيت في جميع الحالات إلى حد كبير. وهنا يصبح الأمر ممتعًا ، لذلك دعونا ننظر إلى الأنواع المتاحة الأكثر شيوعًا في السوق (والمختصرات الخاصة بها).
بطاريات LCO
يرمز LCO إلى Lithium Cobalt Oxide ومن المعروف أن هذه الكيمياء لديها واحدة من أعلى كثافة الطاقة وأبسط إنتاجها لأنها تحتوي فقط على مركب معين من أكسيد الكوبالت في الكاثود. وكانت أيضا أول كيمياء في السوق. ولكن نظرًا لاختيار المواد ، فهي أيضًا واحدة من أغلى المواد ، وذلك بفضل الكوبالت الذي يعد إلى حد بعيد أغلى المواد الكاثودية. ومصدر الكوبالت هو أيضا موضع تساؤل كبير وتصنيفه على أنه مادة صراع من قبل الأمم المتحدة (مصدره أساسا من الحرب الأهلية المصابة في جمهورية الكونغو الديمقراطية). ليستنتج:- الوزن: *** (240 واط / كجم)
- العمر: * (1000 دورة)
- كلفة: *
- المواد: *
بطاريات LCA
تستخدم بطارية LCA اختصار لـ (Lithium Cobalt Aluminium Oxide) ، وهي البطارية المفضلة للسيارات الكهربائية لدى شركة Tesla ، كميات أقل بكثير من الكوبالت ، ولكنها تحافظ على كثافة الطاقة العالية ، على الرغم من أن العمر لا يزال منخفضًا للغاية (حوالي 500 دورة). نظرًا للاختيار المادي وحالة الاستخدام (للسيارات) ، فمن المحتمل أن تكون واحدة من أكثر الخلايا المنتجة (تعد Panasonic ، التي تنتج خلايا Tesla في Gigafactory الخاصة بها ، أحد أكبر الموردين) وكذلك واحدة من أرخص المنتجات المتاحة.- الوزن: *** (260 واط / كجم)
- العمر: * (500 دورة)
- كلفة: ***
- المواد: **
بطاريات NMC
NMC (اختصار لـ Nickel Manganese Cobalt Oxide) وهذه هي أيضا مادة الكاثود. ولكن داخل هذا النوع من البطاريات ، هناك عدة أشكال مختلفة من محتويات النيكل والمنغنيز والكوبالت ، وهذا هو السبب في أن خلايا بطارية NMC لها أيضًا رقم معين ، مثل NMC433. التسميات بسيطة للغاية: 4 عبارة عن 40٪ نيكل ، 3 تعني 30٪ منجنيز ، و 3 الأخيرة تعني 30٪ كوبالت. لكن السوق يركز في الغالب على 3 أنواع مختلفة: NMC433 المذكورة أعلاه ، NMC622 و NMC811. هذا الأخير هو الأحدث المتاح ، سعيا لتقليل محتوى الكوبالت ، وهو حاليا أغلى جزء من البطارية. ما هو الفرق بين تلك الأنواع المختلفة من بطاريات NMC؟ قاعدة الإبهام: كلما زاد عدد الكوبالت والمنغنيز ، كان العمر أفضل (NMC433: تعطي 3000 دورة مقابل NMC811: تعطي 500 دورة). كلما كان الكوبالت والمنغنيز أقل ، كلما كانت كثافة الطاقة أفضل (NMC433: 200 Wh / kg مقابل NMC811: 250 Wh / kg). ومع ارتفاع محتوى الكوبالت في NMC433 ، يكون السعر أعلى أيضًا. تُستخدم معظم خلايا NMC433 في البطاريات مع الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح ، بينما يتم استخدام NMC811 من قبل الكثير من الشركات المصنعة للسيارات (باستثناء Tesla) كبطاريات للمركبات الكهربائية القادمة.- الوزن: ** - *** (150-200 واط / كجم)
- العمر: * - ** (500-3000)
- كلفة: **-***
- المواد: *-***
بطاريات LFP
LFP هو على الأرجح اختصار أقل بديهية. تهانينا ، في الواقع لا توجد علامة F بالاسم بالكامل: Lithium Iron Phosphate. ولكن يشير الحرف "F" إلى "Ferrum" ، وهو اللاتينية للحديد و "Fe" هو رمز العنصر. في أي حال ، فإن هذه الكيمياء لا علاقة لها بالكوبالت أو النيكل أو المنغنيز ، لذلك لا تحتوي على أي مواد نادرة وباهظة الثمن. هذا يجعلها على مستوى المواد الخام البطارية الأكثر صديقة للبيئة. العمل مع الفوسفات فوضوي. على الرغم من ذلك ، تعد جوانب هذا النوع من البطاريات هي العمر الافتراضي الممتاز (حتى 8000 دورة) مع توفر المواد ، ولكنها ليست الوزن والتكلفة. هذا هو السبب في أن حالة الاستخدام في الوقت الحالي هي: التخزين الثابت (الطاقة الشمسية وطاقة الرياح العازلة) والحافلات الكهربائية (حيث يجب إعادة شحنها كثيرًا ، عدة مرات في اليوم).- الوزن: * (120 واط / كجم)
- العمر: *** (8،000)
- كلفة: *-**
- المواد: ***
خاتمة
إذا اتصل بك شخص ما وسأل عن نوع بطارية Li-Ion المفضلة لديك ، فيمكنك التألق الآن في الإجابة.لكن يرجى الانتباه إلى ذلك: لا يمكن تعميم المستوى المنخفض جدًا لتقنيات البطارية ويمكن أن تختلف القيم مثل السعر والعمر ، فهناك الكثير. وهناك المزيد من الكيمياء ، التي تستخدم في التطبيقات المتخصصة أيضًا ، هناك عدد قليل من كيمياء Li-Ion الجديدة والمثيرة قيد التطوير ، مثل LiS (كبريتات الليثيوم) و "بطارية الحالة الصلبة" التي غالباً ما يتم ضبطها.
إقرأ أيضاً: