الطاقة
بطارية خلية النحل لتتفوق محتملًا على بطاريات الحالة الصلبة
بطاريات لتكهرب العالم
Battery technology is changing the world in countless ways. The most obvious example of this is EVs, but advanced batteries are also the driving force behind the growing importance of drones and other futuristic innovations like maglev, Hyperloop trains, and even محركات كتلية لغزو الفضاء.
ستكون أيضًا أساسية في جعل شبكة الطاقة لدينا خضراء من خلال تسوية منحنيات إنتاج الطاقة لألواح الشمس في المساء وتوربينات الرياح في الأيام العاصفة.
المصدر: Statista
حتى الآن، تم الاعتماد على تقنية أيون الليثيوم في تكنولوجيا البطاريات، وهو اكتشاف أساسي لدرجة أنه فاز بجائزة نوبل في الكيمياء عام 2019 (يمكنك قراءة المزيد عن تاريخ اكتشافه في مقالتنا المخصصة).
مع ذلك، تمتلك بطاريات أيون الليثيوم قيدًا جديًا واحدًا. مع مرور الوقت، تنمو نتوءات من الليثيوم المعدني تُسمى “التشعبات” قليلاً في كل دورة شحن/تفريغ. يمكن أن تؤدي هذه التشعبات إلى اختراق مكونات البطارية، محدثةً قصرًا كهربائيًا. خطر هذا القصر يتفاقم بسبب استخدام بطاريات أيون الليثيوم لمحللات قابلة للاشتعال، مما يجعل حرائق البطاريات شديدة الحرارة وصعبة الإطفاء.
هذه مشكلة تشترك فيها إلى حد ما جميع البطاريات القائمة على الليثيوم، بما في ذلك بطاريات LFP (فوسفات الحديد الليثيوم). على الأقل حتى الآن.
المصدر: Nobel Prize
لفترة طويلة، كان يُعتقد أن البديل هو إما كيمياء مختلفة تمامًا مثل أيون الصوديوم أو مفهوم بطارية مختلف، خاصةً بطاريات الحالة الصلبة التي لا تستخدم محللات على الإطلاق.
قد لا يكون هذا صحيحًا بعد كل شيء. أعلنت الشركة الرائدة في تصنيع البطاريات CATL أن تصميمًا جديدًا “خلويًا” يمكنه إنشاء بطاريات لا تظهر أي علامات تدهور بعد 5 سنوات من الاستخدام المكثف.
هذا التصميم يمكن أن يُستخدم لإنشاء بطاريات ذات كثافة طاقة مماثلة لبطاريات الحالة الصلبة مع الاستمرار في استخدام معظم التكنولوجيا الحالية.
خلويات النحل لتخزين طاقة أكبر.
أحد الأسباب الرئيسية لتدهور البطاريات ونمو التشعبات هو أن المادة تنكمش وتتمدد خلال كل دورة شحن/تفريغ عندما تدخل أيونات الليثيوم إلى مصفوفة الأنود.
إدارة الانكماش/التمدد هي أيضًا إحدى القضايا الرئيسية التي أعاقت تطوير بطاريات الحالة الصلبة. تدعي CATL أنها وجدت حلًا من خلال تطوير بنية معقدة شبيهة بخلية النحل لمادة الأنود الخاصة بها.
الفكرة ليست جديدة تمامًا، فقد تم اقتراحها بالفعل من قبل باحثين، مثلًا في ورقة علمية عام 2020 بعنوان “بطارية أيون الليثيوم القابلة للتمدد تعتمد على بنية خلية نحل دقيقة جديدة”.
المصدر: Phys.org
أعلنت الشركة عن بطارية LFP (فوسفات الحديد الليثيوم) جديدة يمكنها 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.
بشكل عام، يعني ذلك أن كل كيلومتر من المدى يمكن شحنه كل ثانية، وشحن كامل لمدى 1,000 كلم سيستغرق 16.6 دقيقة.
سجل كثافة جديد
هذا النطاق المثير ممكن لأن “نظام بطارية Shenxing يتجاوز عتبة كثافة الطاقة 200 Wh/kg لأول مرة، ليصل إلى 205 Wh/kg”.
تحقق ذلك بفضل بنية “خلية النحل” التي تحافظ أساسًا على المادة في مكانها الصحيح، متجنبةً التشققات والانكماش أثناء الشحن.
الشركة، بطبيعة الحال، سرية نسبيًا بشأن تفاصيل عملية التصنيع، حيث أن تكنولوجيا البطاريات ربما تكون واحدة من أكثر المجالات تنافسية في العالم حاليًا، لا سيما مع الجيل التالي من بطاريات الشفرة الخاصة بـ BYD المتوقع أن يصل إلى 190 Wh/kg.
أسرار التصنيع
نعلم أنهم استخدموا ما يُسمى “تدرج حبيبي/تغليف نانومتري”، والذي يمكنه وضع كل جزيء نانومتري داخل الخلية في الموضع الصحيح. كما ذكروا “طلاء موصل سريع لأيونات الليثيوم” لتسريع نقل الطاقة بين قطبي البطارية.
مصانع CATL مؤتمتة بدرجة عالية ويمكنها إنتاج واحدة من بطاريات LFP الجديدة كل ثانية في مصنعها الرئيسي.
من ورقة علمية عام 2021، يمكننا التعرف على بعض المزايا الرئيسية لأشكال خلية النحل، لا سيما الكثافة المنخفضة وخصائص الضغط والقص خارج المستوى (مقاومة المواد للقوى العاملة في اتجاهين متوازيين لكن متعاكسين).
ترتيب الجرافين الخلوي يمنع فعليًا تكتل جزيئات السيليكون النانوية، يحسن التوصيل الكهربائي، ويقلل من مقاومة نقل أيون Li+.
على الرغم من عدم وضوح طريقة تنفيذ CATL، فإن بعض هذه الأساليب معروفة؛ على سبيل المثال، المعالجات الحرارية والكيميائية المتتالية مع الكربون والحمض يمكن أن تخلق بنية نانوية شبيهة بخلية النحل.
المصدر: Chemistry Europe
المصدر: Chemistry Europe
تحسينات أخرى
في تكنولوجيا البطاريات، كل تحسين يُعد مهمًا لأنه يمكن أن يتراكم مع غيره لجعل البطارية أكثر كثافة. وبالتالي يقل حجم البطارية المطلوبة لعدد معين من الكيلومترات، مما يقلل الوزن الكلي، ويزيد من المدى أو يقلل عدد البطاريات المطلوبة.
بالتوازي مع بنية خلية النحل، أعلنت CATL عن عدة تحسينات أخرى. أحد العوامل التي تعزز كثافة بطاريتها الجديدة هو تقنية الخلية إلى الجسم (CTB) المُحسّنة، التي تُحسّن مساحة البطارية داخل حزمة البطارية. أدى ذلك إلى تحسين كفاءة الحجم بنسبة 7٪.
ميزات أخرى هي كفاءة تبريد فائقة للعلبة عالية الجهد، مما يقلل استهلاك الطاقة من نظام التبريد. كما يضمن خوارزمية نظام إدارة البطارية الذكي بالذكاء الاصطناعي سلامة البطارية.
بنية الشحن
كانت بنية شحن السيارات الكهربائية عاملًا مقيدًا لفترة طويلة، خاصةً لأنك تحتاج إلى شبكة كثيفة مثل محطات الوقود الحالية لتجنب أوقات الانتظار الطويلة والفجوات في شبكة الشحن بالمناطق النائية. ومع ذلك، تظهر مشكلة أخرى الآن، وهي سعة محطات الشحن هذه.
مع تزايد قدرة البطاريات على تحمل أحمال طاقة ضخمة وشحن سريع، تحتاج محطات الشحن نفسها إلى سعة أعلى. الشحن السريع خلال 16 دقيقة لمدى 1,000 كلم يتطلب عملية شحن 4C، والتي بدورها تحتاج إلى طاقة شحن هائلة تبلغ 400 كيلواط لبطارية سعة 100 كيلواط ساعة.
لهذا السبب، أعلنت CATL في ذلك الوقت أنها تدخل سوق بنية الشحن. ستبدأ بإنشاء شبكة شحن Shenxing Superfast في الصين، بالتعاون مع شركاء رائدين في الصناعة مثل Star Charge، YKC، وShudao New Energy.
بشكل عام، تخطط لإنشاء 600 منفذ خدمة تغطي 271 مدينة على مستوى المقاطعات في 31 إقليمًا مقاطعيًا. توفير البطاريات، شبكات الشحن، وخدمات مثل فحص وصيانة البطاريات يهدف إلى إنشاء نظام إيكولوجي مغلق.
ما بعد LFP & EV
مستوى المرافق
تزداد مشاركة CATL في سوق بطاريات مستوى المرافق، مع ما يبدو أنه اهتمام متجدد باستخدام كيمياء الليثيوم بعد النظر في أيون الصوديوم.
الأبرز، أعلنت أن مشروعًا تجريبيًا يستخدم نظام بطارية TENER الحاوي قد أظهر عدم وجود تدهور في السعة بعد 5 سنوات كاملة من التشغيل.
المصدر: Sustainability Environment
من المرجح أن بنية خلية النحل تصبح جزءًا مركزيًا من بنية بطارية CATL. رغم عدم ذكر ذلك صراحةً، ربما كان هذا ما أشارت إليه CATL عندما تحدثت عن TENER:
لتحقيق TENER، استخدمت الشركة SEI مع قنوات أيونية بيوميميتية ومستقرة عالية، إلى جانب تقنيات إلكتروليتية ذاتية التجميع تُنشئ ما تسميه “نظام تخزين طاقة لا يشيخ”.
استنادًا إلى أحدث التقنيات وقدرات التصنيع المتطرفة، حللنا تحديات المعادن الليثيوم النشطة للغاية […]، مما يساعد بفعالية على منع عدم الاستقرار الحراري الناجم عن تفاعل الأكسدة،
هذا الأداء غير المسبوق لـ TENER قد يغيّر تمامًا معادلة التخزين الثابت للبطاريات، حيث إن عدم وجود تدهور يعني ملف أمان محسّن بشكل كبير. كما يغيّر حساب الاستهلاك عبر وعد ببطارية تدوم لفترة أطول، وهو أمر أساسي لشركات المرافق.
لذا قد لا يزال بإمكان كيمياءات أخرى الفوز بهذا السوق، كما ناقشنا في “مستقبل تخزين الطاقة – بطاريات مستوى المرافق”. لكن من الممكن أيضًا أن يظل الليثيوم هو الفائز في سوق المرافق، وهو أكبر من حتى السوق الضخم والمتنامي للسيارات الكهربائية.
الحالة المكثفة
من الممكن أيضًا أن تكون هياكل خلية النحل وراء بطارية “الحالة المكثفة” التي تم الكشف عنها في 2023 ومن المتوقع أن تُسوق قريبًا.
تُدَّعى هذه البطاريات الليثيومية (ليست LFP) أن تعرض كثافة طاقة 500 Wh/kg، أي 2.5× أكبر من بطاريات LFP التي أُعلنت مؤخرًا.
- الحالة المكثفة بقدرة 500 Wh/kg للسيارات الكهربائية الفاخرة وربما أسواق جديدة مثل الطائرات التي تعمل بالكهرباء.
- بطاريات LFP المتقدمة بقدرة 200 Wh/kg للسيارات الكهربائية المتوسطة السعر، مع مدى 1,000 كلم يمكن شحنه خلال 16 دقيقة باستخدام بنية شحن مناسبة.
- بطاريات أيون الصوديوم للسيارات الكهربائية منخفضة التكلفة بمدى أصغر.
ليس واضحًا أين ستقع بطاريات الحالة الصلبة في هذا المزيج. قد يكون بعض المستثمرين قلقين من أن الجيل الأول من تصميم الحالة الصلبة قد يُتفوق عليه حجم إنتاج بطاريات LFP المتقدمة وحالة المكثفة من CATL.
المصدر: Nature
الاستثمار في تقنيات البطاريات المتقدمة
تُعد البطاريات في صميم اتجاه الكهرباء، وهو مسعى متعدد التريليونات من الدولارات يهدف إلى إزالة الوقود الأحفوري من مصادر طاقةنا.
يمكنك الاستثمار في الشركات المرتبطة 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 البلدان الأخرى.
إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات بطاريات محددة، يمكنك أيضًا النظر في صناديق المؤشرات المتداولة للبطاريات مثل Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)، وصندوق Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT)، أو WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF، والتي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من نمو صناعة البطاريات.
شركات البطاريات المتقدمة
1. CATL (300750.SZ)
لقد تحدثنا بالفعل عن الريادة التقنية لشركة CATL. 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 وتُعد رائدة في تكنولوجيا البطاريات.
هذا صحيح بالنسبة لبطاريات أيون الليثيوم، حيث كانت الشركة رائدة منذ فترة طويلة. الآن تبدو صغيرة مقارنةً بالإعلان الأخير.
أعلنت CATL أيضًا في الماضي عن تقدم ملحوظ في عدة أنواع أخرى من البطاريات :
- بطارية ذات 12,000 دورة عمر طويل جدًا لتخزين الطاقة على مستوى المرافق، مع هدف 18,000 دورة على المدى الطويل.
- بطارية LFP (فوسفات الحديد الليثيوم) بمدى 700 كلم تشحن 400 كلم من المدى في 10 دقائق، الآن تبدو صغيرة مقارنةً بالإعلان الأخير.
- بطارية بقدرة 500 Wh/kg، قد تمكّن من كهرباء الطائرات الركاب.
- الإنتاج الضخم لبطاريات أيون الصوديوم بقدرة 160 Wh/kg، مع هدف 200 Wh/kg.
المصدر: CATL
المصدر: CATL
استثمرت CATL 3.25 مليار في قدرات إعادة تدوير البطاريات في الصين. حققت CATL معدل استرداد ملحوظ يبلغ 99.6٪ للنيكل والكوبالت والمنغنيز، و91٪ للليثيوم.
بفضل حجمها وتركيزها وإنجازاتها في البحث والتطوير، من المرجح أن تكون CATL في طليعة الابتكار والتصنيع وإعادة تدوير البطاريات.
هذا يجعلها شريكًا رئيسيًا لمصنعي السيارات الكهربائية، بما في ذلك Tesla، NIO، Ford، Stellantis، إلخ، مع إضافة Hyundai مؤخرًا إلى مجموعة تحالفات CATL الاستراتيجية.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيق الدروس المستفادة من كيمياء واحدة على أخرى، لذا قد نرى قريبًا بطاريات خلية نحل أو حالة مكثفة من أيون الصوديوم على سبيل المثال. من المحتمل أن تكون اقتصاديات الحجم في إنتاج نصف بطاريات العالم قابلة للتطبيق على الشركة بأكملها، بغض النظر عن التقنية المحددة المستخدمة في منتج فردي.
2. BYD (BYDDY)
متحدٍ قديم لتسلا في سوق السيارات الكهربائية، أصبحت BYD منافسًا جادًا ليس فقط لتسلا بل لجميع صانعي السيارات تقريبًا.
تطورت الشركة من كونها موردًا لبطاريات هواتف أيون الليثيوم لتبيع تقريبًا عددًا مماثلًا من السيارات الكهربائية لتسلا في الصين (أكبر سوق للسيارات الكهربائية في العالم) وتكون السيارة الكهربائية الأكثر مبيعًا في تايلاند، السويد، أستراليا، نيوزيلندا، سنغافورة، إسرائيل، والبرازيل.
تُعد BYD جزءًا كبيرًا من السبب وراء تحول الصين فجأة إلى أكبر مصدر للسيارات في العالم عام 2023، متجاوزةً اليابان. يُعزى توسع الشركة العدواني في الخارج أيضًا إلى المصانع الجديدة، مثل المزرعة في المجر.
ومع إطلاق سيارات تتراوح أسعارها بين 10,000 و12,000 دولار مثل Seagul، باستخدام بطاريات الصوديوم، قد يفتح سوق جديد تمامًا لسيارات BYD الكهربائية.
ما زالت BYD شركة تصنيع بطاريات في جوهرها، وتُعد منافسًا جادًا لـ CATL في سوق بطاريات LFP (فوسفات الحديد الليثيوم)، حيث تمتلك حصة سوقية بنسبة 41.1٪ في الصين (مقارنةً بـ 33.9٪ لـ CATL).
من المرجح أن يُقابل “فيضان” السيارات الكهربائية الرخيصة التي تنتجها BYD في الأسواق الأوروبية والأمريكية مستوىً من الحماية الحمائية (حتى أعلى من الرسوم الجمركية المفروضة مؤخرًا)، مما قد يعيق نمو BYD.
لكن في الوقت نفسه، تُعد السيارات الكهربائية الصينية الرخيصة نجاحًا كبيرًا في باقي أنحاء العالم، حيث لا توجد شركات محلية قوية لحمايتها، بما في ذلك جميع دول أمريكا الجنوبية، روسيا، أفريقيا، الشرق الأوسط، وجنوب شرق آسيا.
يمثل ذلك عدة مليارات من العملاء المحتملين لـ BYD، يعيشون في دول تتوق إلى تحقيق توازن جيوسياسي والبقاء على علاقات جيدة مع كل من الغرب والصين، لذا من غير المرجح أن تُنشئ حواجز حمائية قوية جدًا.
وحتى في الاتحاد الأوروبي أو الولايات المتحدة، قد تظل BYD تنافسية، بفضل الأسعار الأعلى بكثير للمصنعين المحليين للسيارات الكهربائية مقارنةً بالأسعار في الصين، فضلاً عن توطين الإنتاج خارج الصين لهذه الأسواق، مثلًا في أوروبا الشرقية، المكسيك، أو تركيا.
