هل يمكن أن تصبح السيارات الكهربائية خيارًا عمليًا في المناخات الباردة؟

تباطؤ معدل تبني السيارات الكهربائية

أصبح التحول إلى الكهرباء اتجاهًا عالميًا يشمل المركبات الكهربائية والتدفئة والعمليات الصناعية. لكن الوضع ليس مثاليًا بعد، إذ ينخفض أداء بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية بشدة في درجات الحرارة المنخفضة. وقد لا يمثل ذلك مشكلة حقيقية في كاليفورنيا أو الصين، وهما من أبرز أسواق المركبات الكهربائية، لكنه قد يكون عائقًا خطيرًا في المناطق الشمالية.

على الرغم من هذه القيود، نرى أن معدلات تبني السيارات الكهربائية مرتفعة في دول مثل النرويج (72% سيارات كهربائية و14% هجينة)، مما يدل على استعداد قوي لدى السكان للتحول إلى السيارات الكهربائية.

المصدر: Roland Berger

مع ذلك، قد يشير وضع جيران النرويج إلى أنه بدون إعانات ضخمة مماثلة لتلك النرويجية، قد يتوقف التبني عند أقل من 50% في المنطقة.

إذا حسّنت أنظمة البطاريات الأداء في البرد، يمكن للمنطقة ودول مشابهة أخرى أن تكون من أوائل الدول التي تصل إلى 100% من المركبات الكهربائية (BEV).

حتى الآن، كان الأمل الرئيسي في تحسين الأداء في درجات الحرارة المنخفضة يعتمد على بطاريات الصوديوم-أيون، خاصةً مع التقدم الملحوظ الذي أحرزته الشركة الصينية CATL (تابع الرابط للتقرير المقابل). لكن مفهومًا جديدًا قد يفتح الطريق لبطاريات الليثيوم-أيون المتكيفة خصيصًا للظروف الباردة.

درس هذا المفهوم باحثون صينيون من جامعة دونغهوا وجامعة فودان وجامعة تشينغداو وجامعة منغوليا الداخلية. ونشروا نتائجهم مؤخرًا في مجلة Angewandte Chemie بعنوان «سلوك التمدد الحراري السالب الذي يتيح أداءً جيدًا لتخزين الطاقة الكهروكيميائية عند درجات الحرارة المنخفضة¹».

مشكلات بطاريات الليثيوم-أيون في البرد

لا تزال بطاريات الليثيوم-أيون أقوى أنواع البطاريات المتاحة اليوم وأكثرها كثافة للطاقة على النطاق المطلوب للمركبات الكهربائية. قد يتغير ذلك مستقبلًا مع بطاريات الحالة الصلبة. Or maybe قد تصبح بطاريات الليثيوم-أيون المحسنة، مثل بطاريات قرص العسل بكفاءة تقنيات الحالة الصلبة نفسها.

لكن في الحالتين، لا يزال مشكلة أداء الطقس البارد قائمة. السبب هو أن الطقس البارد، خاصةً درجات الحرارة تحت الصفر، يبطئ انتشار أيونات الليثيوم داخل مادة القطب. حتى الآن، اعتُبر هذا حدًا أساسيًا للتقنية، ناتجًا عن فيزياء تفاعل الليثيوم-أيون في درجات الحرارة الباردة.

كانت الخيارات الوحيدة في المركبات الكهربائية هي استهلاك طاقة البطارية لإبقائها دافئة، ما يهدر الطاقة، أو تركيب حزم بطاريات كبيرة بما يكفي لجعل فقدان المدى مقبولًا للمستخدم. هكذا كان الوضع حتى الآن.

الأقطاب ذات التمدد الحراري السالب (NTE)

يعتمد المفهوم الأساسي لدى الباحثين على استخدام خاصية تسمى التمدد الحراري السالب (NTE) في مادة القطب. فهذه المواد تتمدد عند تبريدها، بعكس معظم المواد وخصوصًا المعادن.

مثال على ذلك في الحياة اليومية هو الماء، الذي يتمدد عند تجميده، مما يجعل الثلج أقل كثافة من الماء السائل.

أُجريت الاختبارات باستخدام فوسفات تيتانيوم الليثيوم LiTi2(PO4)3، أو «LTP».

LTP

تتكون هذه المادة من بنية بلورية تشكل شبكة ثلاثية الأبعاد من ثمانيات السطوح TiO6 ورباعيات السطوح PO4. وينتج عنها هيكل مفتوح ومرن يحتوي على «تجاويف» و«قنوات» تستطيع أيونات الليثيوم الاستقرار فيها.

المصدر: Angewandte Chemie

عند تبريدها، يتمدد الهيكل البلوري على أحد محاوره البلورية. هذا يزيد المسافات بين ذرات الأكسجين، موسعًا التجاويف في الشبكة.

تسهل المساحة الأكبر في البلورات الباردة تخزين أيونات الليثيوم وانتقالها.

أداء بارد قوي

لا تلغي زيادة حجم التجاويف الانخفاض في حركة أيونات الليثيوم كليًا، لكنها تساعد بدرجة كبيرة. ووجد الباحثون أن معدل انتشار الأيونات عند −10 درجات مئوية ظل عند 84% من قيمته عند 25 درجة مئوية. كما اختبروا كفاءة البطارية واستقرارها.

أظهرت الاختبارات الكهروكيميائية لمادة LTP المطلية بالكربون عند −10 درجات مئوية أداءً جيدًا وسعة مرتفعة وقدرة عالية على الشحن والتفريغ السريع. وكانت المتانة مرتفعة أيضًا، من دون تراجع ملحوظ في الاحتفاظ بالسعة خلال 1,000 دورة شحن وتفريغ، إذ بقيت السعة عند 96.8%.

التطبيقات المستقبلية

يجب مواصلة دراسة هذا النوع الجديد من الأقطاب لمعرفة إمكاناته في المركبات الكهربائية المصممة خصيصًا للمناخات الباردة.

من المرجح أن يكون هذا مطلبًا للسيارات الكهربائية التي يجب أن تعمل في مناطق ذات شتاء قارس، مثل كندا، إسكندنافيا، روسيا، المناطق الجبلية، إلخ. على الأقل لتصبح المعيار، وليس مجرد سيارة ثانوية لطيفة للسائقين الأغنياء.

كما أنه من الممكن أن توجد مواد قطب أخرى ذات تمدد حراري سالب وتظهر خصائص كيميائية كهربائية أفضل. لذا من المرجح أن تكون هناك حاجة لمزيد من البحث للعثور على المادة المثالية للطقس البارد.

وعلى المدى البعيد قد تكون لهذه التقنية تطبيقات مهمة في استكشاف الفضاء، لأن المركبات وأنظمة تخزين الطاقة في المدار أو على القمر أو المريخ ستحتاج على الأرجح إلى أداء قوي حتى في البيئات شديدة البرودة.

الاستثمار في تقنيات البطاريات المتقدمة

تقع البطاريات في صميم التحول إلى الكهرباء، وهو مسعى عالمي بتريليونات الدولارات يهدف إلى إزالة الوقود الأحفوري من مصادر الطاقة.

يمكنك الاستثمار في الشركات المتعلقة بالبطاريات عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.

إذا لم ترغب في اختيار شركات بطاريات بعينها، فيمكنك النظر في صناديق المؤشرات المتداولة المتخصصة بالبطاريات مثل Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)، أو صندوق Global X ‏Lithium & Battery Tech ETF (LIT)، أو WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT )، التي توفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من نمو صناعة البطاريات.

CATL (300750.SZ)

كما سبق، تُعد CATL رائدة تقنيًا ببطاريات الليثيوم-أيون المتقدمة ذات بنية قرص العسل وتصميمات بطاريات الصوديوم-أيون.

الشركة هي الرائدة عالميًا في تصنيع البطاريات، حيث تنتج أكثر من نصف حجم البطاريات العالمي. وهي موجودة في كل خطوة من سلسلة إمداد تصنيع البطاريات.

هذا صحيح بالنسبة لبطاريات الليثيوم-أيون، حيث تُعد الشركة رائدة منذ فترة طويلة. كما أنها قوية في بطارية LFP (فوسفات الحديد الليثيوم)، مع التصميم المحسن المعلن مؤخرًا الذي يمكنه إضافة 600 كلم من المدى في 10 دقائق فقط. في المجموع، قد يتجاوز مدى القيادة 1,000 كلم (600 ميل)، مما يزيل تمامًا كل “قلق المدى” لمالكي السيارات الكهربائية المستقبليين.

وبالتوازي مع ذلك، أعلنت CATL سابقًا عن تقدم لافت في أنواع متعددة من البطاريات:

• بطارية فائقة العمر لتخزين الطاقة على نطاق المرافق تتحمل 12,000 دورة، مع هدف طويل الأجل يبلغ 18,000 دورة.
• بطارية بكثافة طاقة تبلغ 500 واط ساعة/كغ، وقد تتيح تشغيل طائرات الركاب بالكهرباء.
• إنتاج واسع النطاق لبطاريات صوديوم-أيون بكثافة 160 واط ساعة/كغ، مع استهداف 200 واط ساعة/كغ.

المصدر: CATL

استثمرت CATL مبلغ 3.25 مليار يورو في قدرات إعادة تدوير البطاريات في الصين. وحققت خصوصًا معدل استرداد لافتًا بلغ 99.6% للنيكل والكوبالت والمنغنيز و91% لليثيوم.

بفضل حجمها وتركيزها وإنجازاتها في البحث والتطوير، يُرجح أن تبقى CATL في طليعة ابتكار البطاريات وتصنيعها وإعادة تدويرها.

وهذا يجعلها شريكًا رئيسيًا لمصنعي المركبات الكهربائية، ومنهم Tesla (TSLA ) وNIO وFord وStellantis وغيرها، وقد انضمت Hyundai مؤخرًا إلى قائمة تحالفات CATL الاستراتيجية المتنامية.

وفوق ذلك، قد تنطبق الدروس المستفادة من كيمياء بطارية على كيمياء أخرى. لذلك يمكن أن يقود الاكتشاف المذكور في هذا المقال إلى تركيبات غير متوقعة، ومنها الأفكار الآتية:

• قطب ذو تمدد حراري سالب مبني بهيكل قرص العسل.
• تطبيق التمدد الحراري السالب على تقنية الصوديوم-أيون لصنع بطارية فائقة المقاومة للبرد.
• استخدام التمدد الحراري السالب في بطاريات CATL فائقة الاستقرار على نطاق المرافق لخدمة شبكات الكهرباء في الدول الباردة.

ومن المرجح أن تنطبق وفورات الحجم الناتجة عن إنتاج نصف بطاريات العالم بالفعل على الشركة بأكملها، بصرف النظر عن التقنية المحددة المستخدمة في كل منتج.

لذلك كلما تقدمت تقنيات البطاريات عمومًا، زادت قدرة CATL على دمجها في تصميماتها الحالية، ما يولد طلبًا أكبر ويعزز وفورات الحجم ضمن حلقة تغذية راجعة إيجابية.

أخيرًا، ينبغي للمستثمرين الانتباه إلى اتساع الخلاف بين الولايات المتحدة والصين، إذ قد تصبح CATL ضحية جانبية. أُضيفت الشركة إلى قائمة الشركات العسكرية الصينية (CMC) التابعة لوزارة الدفاع الأمريكية.

قالت CATL في بيان إنها لم تنخرط قط في أي أعمال أو أنشطة مرتبطة بالجيش، وإن إضافتها إلى قائمة CMC كانت «خطأ».

وأوضحت الشركة أنها لا تتوقع أثرًا سلبيًا جوهريًا في أعمالها، وأنها تتواصل مع وزارة الدفاع الأمريكية لمعالجة الوضع، بما في ذلك اتخاذ إجراء قانوني إذا لزم الأمر.

Fast Market

لا يفرض هذا التصنيف عقوبات فورية على CATL أو الشركات الأخرى في القائمة، لكنه قد يؤثر في سعر السهم وصادرات CATL المستقبلية إلى الأسواق الغربية.

(يمكنك أيضًا قراءة تقريرنا المطول الصادر في سبتمبر 2024 والمخصص بالكامل لـCATL للتعمق في تاريخ الشركة وتقنياتها).

مرجع الدراسة:

^{1. Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Negative thermal expansion behavior enabling good electrochemical-energy-storage performance at low temperatures. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.202419300}