مستقبل التنقل – تقنية البطاريات

صعود السيارات الكهربائية

عندما تأسست شركة تسلا في عام 2003، كان يُنظر إلى فكرة السيارات الكهربائية في الغالب كنوع من المزاح. في ذلك الوقت، كانت كل سيارة كهربائية في الأساس عربة جولف مُزينة ببطء، ذات مدى بطاري منخفض، راحة قليلة، حجم صغير، وسرعة قصوى منخفضة جدًا.

غيّر سيارة تسلا رودستر (الجيل الأول، كما من المتوقع إصدار نسخة جديدة في 2026) هذا التصور تمامًا، بأداء سيارة رياضية فاخرة، مما جعل السيارات الكهربائية (EVs) فجأةً جذابة.

الجزء الأساسي الذي جعل السيارات الكهربائية فجأةً قابلة للتطبيق هو التقدم في تقنية البطاريات. في البداية، كان ذلك يعتمد على بطاريات الليثيوم-أيون المصممة لسوق الإلكترونيات الصغيرة. وسرعان ما تم تطوير أنظمة مخصصة أكثر لمنح السيارات الكهربائية مزيدًا من الاستقلالية.

من حجم صغير حتى في عام 2016، أصبحت السيارات الكهربائية (EVs) الآن جزءًا ينمو بشكل أسي من مبيعات العالم، حيث تم بيع أكثر من 10 ملايين سيارة كهربائية في عام 2022، أي 14٪ من المبيعات العالمية، مع صدارة الصين وأوروبا.

مبيعات السيارات الكهربائية العالمية – المصدر: IEA

مع ذلك، بالرغم من هذا التقدم، لا تزال هناك أسئلة مفتوحة حول تبني السيارات الكهربائية. تباطأت مبيعات السيارات الكهربائية في ظل التضخم العالي والحاجة إلى إقناع الجمهور العام – وليس فقط المتبنين الأوائل. وقد أدى ذلك مؤخرًا إلى تأجيل أو إلغاء استراتيجية السيارات الكهربائية من قبل الشركات المصنعة الكبرى، مثل جنرال موتورز، فورد، أو هوندا.

القيود الحالية

كان متحمسو السيارات الكهربائية في البداية سعداء باستخدام مركبات يمكن أن تكون أكثر حيادية كربونيًا وتمثل تقنية جديدة. لا يزال المشترون الأقل اهتمامًا بالبيئة متشككين إلى حد ما في السيارات الكهربائية لأسباب متعددة:

• السعر: لا تزال معظم السيارات الكهربائية تكلف أكثر من نظيرها بمحرك احتراق داخلي. ومع ارتفاع أسعار الفائدة، يمكن أن يجعل ذلك السيارات الكهربائية باهظة الثمن للعديد من الأشخاص.
• القلق من المدى: طريقة لتقليل سعر السيارة الكهربائية هي اختيار خيار بطارية أصغر. لكن ذلك يقلل من المدى، مما يجعل الرحلات الطويلة صعبة، وقد يكون وقت الشحن طويلًا أيضًا.
• الطقس البارد: كلما كان المناخ أبرد، كلما زاد الضرر للبطاريات. تحتاج معظم السيارات الكهربائية إلى الشحن خلال ليالي الشتاء إذا لم تكن في مرآب دافئ. علاوة على ذلك، يقلل البرد من المدى النظري للسيارات الكهربائية.
• البنية التحتية للشحن: قد يجد الأشخاص الذين يعيشون في شقق صعوبة في شحن سياراتهم الكهربائية إذا لم تتوفر محطات شحن عامة كافية. الطوابير الطويلة، الشحن البطيء أو عدم وجود محطات قريبة يمكن أن يخلق تجربة سيئة.
• سلامة البطارية والمتانة: بطاريات الليثيوم-أيون تخزن طاقة كبيرة. والإلكتروليتات في البطارية قابلة للاشتعال. هذا يجعل البطاريات تشكل خطرًا أمنيًا، خاصة في البيئات المغلقة مثل مواقف السيارات تحت الأرض. ليس أن سيارات ICE غير قابلة للاشتعال، لكن لا يزال هذا مصدر قلق.
• شبكة الكهرباء: رغم أنه ليس قلقًا كبيرًا لمشتري السيارات الكهربائية، إلا أنه قد يصبح مشكلة للقطاع ككل. شبكات الكهرباء بالفعل مضغوطة إلى حد ما، وقد لا تتحمل ملايين المركبات التي تحتاج إلى الشحن. مصدر الكهرباء أيضًا يمثل قضية، حيث يأتي الكثير منها من الوقود الأحفوري، بما في ذلك الفحم.

يمكن حل معظم مشكلات السيارات الكهربائية الحالية من خلال بطاريات أفضل. الشحن البطيء، المدى القليل، مشكلات السلامة، الحساسية للبرد، وحتى السعر كلها خصائص للبطاريات الليثيوم-أيون الحالية.

يعمل الباحثون وقادة الصناعة بجد لحل هذه النواقص، إما من خلال تحسين التصميم الحالي أو اختراع طرق جديدة تمامًا لبناء البطاريات.

بشكل عام، تعني البطاريات الأكثر كثافة بطاريات أرخص وأكثر أمانًا، كما أنها من المرجح أن تدوم أطول وتُشحن بسرعة أكبر.

تحسين بطاريات الليثيوم

الخطوة الأولى هي تحسين البطاريات الحالية والاستفادة من ثروة المعرفة والخبرة مع هذه التقنية. يرى بعض الباحثين أن الجيل الحالي من البطاريات لا يزال قادرًا على التحسين التدريجي حتى عام 2030: “آفاق بطاريات الليثيوم-أيون وما بعدها — رؤية 2030”.

الجزء الأول هو تحسين القطب الموجب للبطارية، والذي يتكون حاليًا في الغالب من الليثيوم والنيكل في بطاريات الليثيوم-أيون. يمكن أن يؤدي الفهم الأعمق للتركيب البلوري والتغير الكيميائي عندما تتقدم البطارية في العمر إلى تحسين جميع مواصفات البطاريات.

الأقطاب السالبة، المصنوعة حاليًا من الجرافيت، يمكن استبدالها بسيليكون أو أكسيد السيليكون أكثر كثافة طاقة بمعدل 5 إلى 10 أضعاف. كان ذلك صعبًا حتى الآن، حيث تميل أقطاب السيليكون إلى “التقدم في العمر” بسرعة. خلطات الجرافيت-سيليكون أصبحت أكثر شيوعًا، ويمكن أن تساعد في زيادة الطاقة الكلية للبطاريات.

تغيير الإلكتروليتات التي تربط القطب السالب بالموجب قد يساعد أيضًا. الأنواع الجديدة من المذيبات السائلة، الإلكتروليتات الأكثر تركيزًا، أو ربما حتى الإلكتروليتات الشبيهة بالهلام يمكن أن تحسن ملف السلامة وتزيد من كثافة البطارية.

أخيرًا، يُعد تصميمًا أفضل خيارًا لتحسين العلاقة بين البطاريات والسيارات الكهربائية. يبدأ العديد من صانعي السيارات الكهربائية في استخدام ما يُسمى البطاريات الهيكلية التي تكون كلًا من وحدة تخزين الطاقة ومكونات هيكلية للمركبة. يمكن أن يقلل ذلك من وزن السيارة الكلي، مما يؤدي إلى كفاءة ومدى أكبر. تعمل رولز-رويس، تسلا، وفولفو بالفعل على هذه الفكرة، والتي قد تزيد المدى بنسبة 16٪.

بطاريات الحالة الصلبة

بعد أن تم نظريًا لفترة طويلة وتم تحويلها ببطء إلى واقع في المختبرات، تُوصف بطاريات الحالة الصلبة غالبًا بأنها الكأس المقدسة لتقنية البطاريات.

الفكرة هي إزالة الحاجة تمامًا إلى الإلكتروليتات السائلة، مما يقلل بشكل كبير وزن البطارية ويزيد كثافتها بشكل كبير. إزالة الإلكتروليت القابل للاشتعال يجب أن يجعل البطارية أكثر أمانًا. كما أن إزالة الإلكتروليت قد يبسط عملية الإنتاج؛ إزالة ما يصل إلى 3 أسابيع في خط الإنتاج.

أخيرًا، تعد هذه التصاميم بإعادة شحن شبه كامل في 3-5 دقائق، أي تقريبًا نفس الوقت الذي يستغرقه تعبئة سيارة بالبنزين.

تتحدث العديد من الشركات عن إطلاق نسختها الخاصة من بطاريات الحالة الصلبة في الفترة من 2026 إلى 2029. تشمل ذلك كوانتم سكيب (QS)، CATL (300750.SZ)، تويوتا (TM)، باناسونيك (6752.T)، إل جي (051910.KS)، وسامسونج SDI (006400.KS). في الوقت الحالي، تعمل تسلا (TSLA) على بديلها الخاص للبطاريات الصلبة، خلايا بطارية 4680 المستندة إلى تقنية الليثيوم-أيون.

مشكلات بطاريات الحالة الصلبة

عانى تطوير بطاريات الحالة الصلبة من صعوبات توسيع النماذج المختبرية إلى منتجات تُصنع على نطاق واسع. لا يزال الإنتاج الموثوق، المؤتمت، ومنخفض التكلفة قيد التطوير، ومن المرجح أن يكون جدول وصول بطاريات الحالة الصلبة إلى السوق في أفق 2026-2028 على الأكثر.

المصدر: Vertex Holdings

أخيرًا، ستستخدم بطاريات الحالة الصلبة كمية أكبر بكثير من الليثيوم مقارنةً ببطاريات الليثيوم-أيون الحالية، وهو ما قد يتسبب في تكرار ارتفاع سعر الليثيوم في عام 2022، عندما ارتفع 10 أضعاف خلال عامين. قد يكون إعادة التدوير أيضًا صعبًا.

بطاريات “مكثفة”

ربما لا نحتاج إلى الانتظار حتى بطاريات الحالة الصلبة لنرى بطاريات ذات كثافة عالية جدًا. أعلنت شركة CATL عن إنشاء بطارية “مادة مكثفة”، قادرة على الوصول إلى 500 واط/كغ. وتدعي الشركة أيضًا إمكانية تحقيق الإنتاج الضخم في فترة زمنية قصيرة، وهذا يأتي من القائد في القطاع وليس من شركة ناشئة صغيرة، لذا فهو على الأرجح موثوق.

هذا مستوى كثافة كان يُعتقد سابقًا أنه يمكن تحقيقه فقط بواسطة بطاريات الحالة الصلبة. وهو أيضًا المستوى المطلوب لبدء النظر في الطائرات الكهربائية وتطبيقات أخرى كانت حتى الآن مستحيلة الكهربة.

كيميائيات بطاريات بديلة

هناك العديد من البدائل الممكنة لبطاريات الليثيوم-أيون لإنشاء بطارية. لكن عددًا قليلًا فقط من كيميائيات البطاريات سيتوفر فيه المزيج المناسب من الوزن الخفيف، الكثافة العالية، والسلامة لتكون صالحة للاستخدام في التطبيقات المتنقلة.

على المدى الطويل، قد تحل بعض هذه البطاريات البديلة محل بطاريات الليثيوم الأكثر تكلفة، على الأقل عندما يتعلق الأمر بسوق السيارات الجماعية الحساس للسعر.

بطاريات الليثيوم-حديد (فِروم)-فوسفات – LFP

كانت بطاريات LFP لفترة طويلة خارج تطبيقات التنقل بسبب انخفاض كثافة الطاقة، عادةً 30-40٪ أقل من بطارية الليثيوم-أيون التقليدية. الآن يصل الإصدار الأخير من هذه الكيميائية إلى مستوى كثافة بطاريات الليثيوم-أيون من الجيل القديم، مما يجعلها صالحة للمركبات منخفضة التكلفة.

ميزة كبيرة للـ LFP هي أنها لا تحتاج إلى أي نيكل أو كوبالت، وهما المسؤولان عن تكلفة بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية. بالمقابل، الحديد والفوسفات وفيران ومتوفرة ورخيصة. كما أن بطاريات LFP من المرجح أن تدوم أطول، مما يقلل من تكلفة دورة الحياة الكلية لنظام البطارية.

المصنع الرائد لبطاريات LFP هو الشركة الصينية CATL (300750.SZ)، إلى جانب BYD (BYDDF)، حتى وإن كانت الشركة الآن تبحث عن خيارات أخرى للحفاظ على موقعها كمصنّع لنصف بطاريات العالم.

مع ذلك، لا يتجاهل سوق LFP بعد الكشف في أغسطس 2023 عن بطارية LFP بمدى 700 كيلومتر يمكن شحن 400 كيلومتر من المدى في 10 دقائق فقط.

بطاريات الصوديوم-أيون

إلى جانب الكوبالت والنيكل، الليثيوم هو المورد المكلف الآخر المستخدم في بطاريات الليثيوم-أيون. بالمقابل، الصوديوم وفير ورخيص للغاية وأقل احتمالًا لتعرضه لنقص مستمر مثل الليثيوم.

أعلنت الشركة الصينية الرائدة في صناعة السيارات، BYD، عن نيتها استخدام بطاريات الصوديوم-أيون لطرازاتها الجديدة منخفضة السعر دولفين وسيغول، حيث قد يكون سيغول رخيصًا حتى 10,000 دولار (للأسف، فقط في الصين).

تبعت ذلك إعلان بطارية صوديوم-أيون عالية الكثافة من CATL في 2021. في نوفمبر 2023، أعلنت الشركة الأوروبية نورثفولت عن اختراق في صوديوم-أيون، محققًا نفس كثافة الطاقة 160 واط-ساعة لكل كغ كما في CATL.

على الرغم من أنها أقل كثافة طاقة قليلاً من LFP وأقل بكثير من الليثيوم-أيون، قد تفوز صوديوم-أيون بالسوق الجماعي بفضل السعر الأرخص بكثير، قد يكون ثمنها حوالي ثلث سعر البطاريات الحالية التي تستخدم النيكل.

كيميائيات أخرى

على الرغم من أنه سيكون طويلاً جدًا استعراض كل واحدة على حدة, هناك عدد لا بأس به من الكيميائيات المحتملة التي قد تصبح في يوم من الأيام منافسين جديين للبطاريات المستخدمة في تطبيقات التنقل. لكن هذه التقنيات لا تزال في مرحلة مبكرة, مما يجعل اعتمادها في السيارات الكهربائية غير محتمل على المدى القصير.

بطاريات الزجاج

فكرة مثيرة للاهتمام، تستخدم فقط مواد وفيرة جدًا، والتي حتى الآن يكافح باحثون آخرون لتكرارها في مختبراتهم. ولكن بالنظر إلى أن هذه الفكرة مدعومة من السيد جودينوف، مخترع بطارية الليثيوم-أيون، لا ينبغي تجاهلها (للأسف، توفي السيد جودينوف في صيف 2023).

بطاريات الجرافين

الجرافين، طبقة واحدة من ذرات الكربون، موصل للغاية. تدفع شركة Graphene Manufacturing Group (GMG.V) باتجاه بطاريات الجرافين/الألمنيوم، والتي قد تكون ذات كثافة أعلى من الليثيوم-أيون مع شحن أسرع بـ70 مرة وعمر يدوم 3 أضعاف. الشركة تعمل مع عملاق التعدين (ومستخرج الجرافيت) ريو تينتو للبدء في الإنتاج على نطاق واسع للعام 2025.

بطاريات المانغنيز الهيدروجينية

ستستخدم هذه البطاريات المغنيسيوم بدلاً من الليثيوم. وقد وُصفت هذه النوعية من البطاريات بأنها “شبه صلبة” ويمكنها تحمل درجات حرارة منخفضة تصل إلى -22 °C (- 7 °F) بشكل أفضل بكثير.

بطاريات الليثيوم-كبريت

ستستخدم هذه البطاريات الليثيوم والكبريت بدلاً من الكوبالت والنيكل المكلفين. حتى في هذه المرحلة المبكرة، تُظهر كثافة طاقة مرتفعة بشكل ملحوظ. ومع ذلك، عانت من مشكلات تتعلق بالمتانة وستحتاج إلى أن تصبح أكثر تحملًا لتكون بديلاً جيدًا للكيميائيات الحالية.

المصدر: Vertex Holdings

بطاريات الصوديوم-كبريت

كانت هذه البطاريات حتى الآن مقصورة على التطبيقات التي تُحافظ فيها البطارية على درجات حرارة مرتفعة (300 °C). ومع ذلك، الإلكتروليتات الجديدة التي تمنع ذوبان الكبريت قد تُزيل هذا الشرط. لذا، قد يصبح هذا مسارًا جديدًا للعثور على بطاريات قوية ورخيصة.

بطاريات الألمنيوم-أيون

تحل هذه التقنية محل القطب السالب الليثيومي بقطب ألمنيوم. باستخدام بديل بوليمري للجرافيت، يمكن لهذه البطاريات تحقيق سعة تخزين عالية.

بطاريات الألمنيوم-هواء

تعمل هذه “البطاريات” عن طريق استهلاك الألمنيوم كوقود، مما يمنح السيارة الكهربائية التي تستخدمها مدىً أعلى من سيارة الوقود (1,600 كلم لكل خزان)، مع كثافة طاقة أعلى بكثير من الليثيوم-أيون (1,350 W/kg). وهذا يجعلها أيضًا مصدرًا محتملًا للكهرباء للطائرات الكهربائية.

يمكن استبدال الألمنيوم المستهلك بألمنيوم جديد خلال 90 ثانية، ويتم إعادة تدوير “الوقود” المستهلك. يمكن أيضًا دمج هذه التقنية مع السيارات الكهربائية القديمة لإعطائها مدىً إضافيًا.

حاليًا، يبدو أن القيد الرئيسي لتطوير هذه التقنية هو عدم حصولها على دعم عام، إذ لا تُعد بطارية حقيقية، ولا خلية وقود، ولا تعتمد على الهيدروجين، مما يجعلها غير مؤهلة للحصول على دعم السياسات الخضراء القائمة.