تحليل مستقبلي لبطاريات الليثيوم التي تحل محل حمض الرصاص في مجال بطاريات السيارات

تعد بطاريات الرصاص الحمضية حاليًا مصدر الطاقة الرئيسي لـ SLI في السيارات ، كما تم إعطاؤها العديد من التطبيقات الأخرى. تكمن مزايا بطاريات الليثيوم كبطاريات SLI بدلاً من بطاريات الرصاص الحمضية بشكل أساسي في عمرها الأطول وكثافة طاقة أعلى. فيما يتعلق بالسلامة ، يتم النظر في اللوائح الأوروبية الجديدة للبطاريات بشأن استخدام المواد المقيدة في المركبات ، فضلاً عن مواصفات التكلفة والتصميم والاختبار. كما تؤخذ دورة الحياة وإعادة تدوير البطاريتين في الاعتبار.

1. استبدال البطارية

على مر السنين ، تم تكييف معايير الكيمياء والتصنيع لبطاريات الرصاص الحمضية مع متطلبات الطاقة الجديدة والتحديات بسرعة نسبيًا عن طريق تعديل الإضافات وتحسين عمليات التصنيع الحالية ، بدلاً من محاولة إعادة تصميم نظام بطارية جديد تمامًا. في الستينيات من القرن الماضي ، كان عمر بطارية SLI وحمض الرصاص حوالي 3 سنوات ، وبحلول عام 2015 ، مع زيادة متطلبات الطاقة والتطبيق ، قد تستمر البطارية لمدة تصل إلى خمس سنوات أو أكثر.

حافظت بطاريات الرصاص الحمضية على حصتها في السوق ، ويرجع ذلك أساسًا إلى قدرتها على تلبية التيار العالي المطلوب لبدء تشغيل ICE البارد ، ومتانة دورة درجات الحرارة العالية ، والسلامة العالية نسبيًا ، والتكلفة المنخفضة نسبيًا. إذا كنت تخطط للمشاركة في هذا السوق ، فهذه هي التحديات التي يجب أن تواجهها أي تقنية بطاريات جديدة. في السنوات الأخيرة ، تم تحسين استقرار بطاريات الليثيوم من حيث الكيمياء والتصنيع بشكل كبير ، وتم تخفيض التكلفة باستمرار ، وتم تحسين الأداء باستمرار. بمعنى أوسع ، مقارنة ببطاريات الرصاص الحمضية ، تتمثل المزايا الرئيسية الحالية لبطاريات الليثيوم أيون SLI في كثافتها العالية للطاقة وعمرها الطويل.

تتمتع بطاريات ليثيوم أيون SLI بأداء مشابه لبطاريات حمض الرصاص SLI الموجودة ، وقد تم إدخال اختبارات إضافية لتقييم ثبات بطاريات الليثيوم أيون SLI. بما في ذلك تدابير السلامة الصارمة ، مثل الحماية من الشحن الزائد ، واختبارات التدمير من نوع السحق أو الثقب ، والتفريغ والشحن المستمر في درجات الحرارة المنخفضة ، وتقييم تأثير ترسب الليثيوم.

2. تصميم سلامة بطارية ليثيوم أيون

يتمثل التحدي الرئيسي في تطوير بطاريات الليثيوم أيون SLI في مدى أمان البطارية في ظل ظروف سوء الاستخدام أو الشيخوخة ، وما إذا كان سيحدث هروب حراري. تم إجراء العديد من الاختبارات لمنع هذا الموقف ، ولكن لا يمكن التنبؤ بجميع المواقف. نظرًا لأن الحادث تسبب في أضرار جسيمة للجزء الداخلي من السيارة ، مما قد يتسبب في احتراق البطارية بسبب الحرائق الخارجية أو الداخلية ، فإن الاحتياطات المتخذة ستضمن أن البطارية التالفة لن تتسبب في مزيد من الشرر ، وبالتالي تقليل انتشار الحريق بعد حادثة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العامل الفريد للبطارية هو قصر الدائرة الداخلية (ISC) الذي قد يحدث بسبب تقادمها. بعض الحالات الشائعة ، مثل تكوين تشعبات الليثيوم ، تخترق الحجاب الحاجز لتتسبب في حدوث ماس كهربائي ، مما يؤدي إلى انكماش الحجاب الحاجز بسبب الحرارة ويسبب دائرة قصر كبيرة المساحة. التحدي الآخر للاختبار القياسي للبطاريات هو أن الهيكل الخارجي لبطاريات الليثيوم أيون يمكن أن يكون أسطوانيًا أو كيسًا (عبوة ناعمة) أو مربعًا. لذلك ، يتطلب كل نوع بطارية إجراء اختبار ميكانيكيًا مختلفًا. يمكن استخدام هذه التقنيات لتوجيه فهم العلاقة بين اختبار السلامة وبطاريات الليثيوم أيون SLI.

3. تصميم بطارية SLI

في تصميم بطاريات SLI ، هناك مجموعة متنوعة من مواد الأقطاب الكهربائية وتركيبات البطاريات للاختيار من بينها. ومع ذلك ، عندما يقتصر الجهد الإجمالي للبطارية على 12 فولت نموذجي ، فمن الممكن استبدال بطارية الرصاص الحمضية الموجودة في هذه الحالة. في الوقت الحالي ، لا يمكن سوى لعدد قليل من البطاريات المتصلة على التوالي أن تصل إلى جهد البطارية الصحيح.

بالإضافة إلى شرط الحصول على جهد بطارية قريب من 12 فولت ، يجب مراعاة عوامل أخرى مثل سهولة التوفر في السوق الاستهلاكية. بالمقارنة مع بطاريات الرصاص الحمضية القياسية ، يمكن لهذه المواد أن تصنع بطاريات SLI تنافسية من حيث التكلفة. يمكن تقسيم مواد الكاثود لبطاريات الليثيوم أيون إلى أنواع متعددة الطبقات ، وأنواع الإسبينيل والزبرجد الزيتوني. مادة الأنود هي أساسًا من الكربون. بالإضافة إلى النظر في توافق مواد الكاثود والأنود لتوفير الجهد الصحيح للبطارية وسعة الطاقة ، فإن أول بطاريات الليثيوم أيون المكونات الثلاثة المهمة هي الإلكتروليت. بالنسبة لمعظم البطاريات التجارية ، تُستخدم الإلكتروليتات السائلة العضوية مع أملاح الليثيوم القابلة للذوبان ، والتي يمكن أن توفر الموصلية المطلوبة لأيون الليثيوم. الملح الأكثر شيوعًا المستخدم حاليًا هو LiPF6.

في BEV ، يمكن استخدام بطارية ليثيوم أيون SLI 12 فولت للحفاظ على النظام الإلكتروني الموجود على متن السيارة&عندما لا تقود السيارة. لا يعد استخدام بطاريات SLI الحمضية في هذا التطبيق مثاليًا لأنه مصمم عادةً للطاقة العالية وليس بالضرورة مناسبًا لسيناريوهات تطبيق التفريغ العميق للتيار المنخفض. في هذا الصدد ، فإن بطاريات الليثيوم أيون SLI تعوض فقط عن أوجه القصور في بطاريات SLI الحمضية والرصاصية.

4. تصميم نظام توازن البطارية وإدارة البطارية (BMS)

على عكس بطاريات SLI الحمضية ، فإن التحدي الذي تواجهه تقنية بطاريات الليثيوم أيون هو أنها تتمتع بكفاءة إعادة شحن عالية تقترب من 95٪ ويجب أن تعمل بصرامة داخل نافذة جهد البطارية. عندما يتم تجميع بطاريات الليثيوم أيون في سلسلة وشحنها ، يمكن أن تنجرف بسهولة خارج نافذة جهد البطارية ، وقد تبدأ المادة النشطة في تجربة تغييرات طور لا رجعة فيها ، وقد يبدأ الإلكتروليت في التحلل. وهذا بدوره يزيد من المقاومة الداخلية للبطارية ، وبالتالي يزيد من تأثير عدم توازن البطارية. لذلك ، أصبحت إدارة البطاريات ومراقبتها لحزم البطاريات الفردية ممارسات قياسية لوحدات الليثيوم أيون ، وعادةً ما تكون مدمجة في صندوق البطارية. يوجد عدد كبير من أنظمة BMS في السوق ، والعديد منها مصمم خصيصًا للمواد الكيميائية المحددة لبطاريات الليثيوم أيون. إن أبسط طريقة شحن وأكثرها فعالية من حيث التكلفة هي الحد من شحن مجموعة بطارية السلسلة. أفضل طريقة هي السماح بإعادة توزيع الطاقة بين البطاريات بمجرد وصول البطارية إلى الحد الأقصى للجهد ، مما يمنع بطارية واحدة من الشحن الزائد والتسبب في مشاكل تتعلق بالسلامة.

5. تكلفة البطارية

بالمقارنة مع التقنيات الحالية ، يتمثل أحد التحديات الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون SLI في تزويد المستهلكين بسعر تنافسي. يعمل الباحثون بجد لدراسة قضايا سلسلة القيمة في تصنيع بطاريات الليثيوم أيون. في الوقت الحالي ، يُنظر إلى ما يقرب من 60٪ من تكاليف البطارية على أنها تتكون من مواد غير نشطة مثل المجمعات الحالية والفواصل وأغلفة البطاريات. التكلفة الإضافية تأتي من الطور البيني للكهرباء الصلبة (SEI). ) الوقت والجهد المبذولان في عملية التكوين.

6. السياسات والتشريعات

عادة ما تكون الدوافع الرئيسية للتكنولوجيا مصحوبة ببعض السياسات الوطنية والدولية المتعلقة بالصحة والسلامة ، تليها التشريعات. تتضمن هذه عادةً استخدام مواد كيميائية معينة أو ملحقات كيميائية تعتبر ضارة بالإنسان والبيئة. خاصة عند استخدام هذه المواد الضارة في المركبات ، يجب أن يكون مفهوم تصميمها قادرًا على تحقيق&مثل ؛ إعادة التدوير الخضراء&مثل ؛ أي أنه يمكن تفكيكها بحيث يمكن إعادة استخدام المواد المختلفة أو إعادة تدويرها أو التخلص منها بأمان دون التسبب في أي تلوث للبيئة.

7- المعايير والمواصفات

على مدى عقود ، ظهرت المواصفات والمعايير وتطورت تدريجياً للتكيف مع أداء وسلامة جميع تطبيقات البطاريات تقريبًا ، بما في ذلك بطاريات SLI للمركبات. من ناحية أخرى ، يمكن أن تشير تشريعات بعض البلدان أو المناطق إلى المعايير عند التعامل مع متطلبات معينة يكون لها عادة تأثير مباشر على سلامة وصحة المجتمع والبيئة. قام تحالف البطاريات المتقدم في الولايات المتحدة (USABC) بتجميع دليل اختبار البطارية (المراجعة 2) لوزارة الطاقة الأمريكية (DoE).

8. إعادة تدوير البطارية

حاليًا شركة تتمتع بقوة معينة في إعادة تدوير بطاريات أيونات الليثيوم.

ما ورد أعلاه يلخص أن بعض الشركات الكبيرة تشارك بنشاط في عملية إعادة التدوير على نطاق صناعي لبطاريات الليثيوم أيون. ستزيد قدرة إعادة التدوير في صناعة إعادة التدوير الناشئة خمس مرات على الأقل في السنوات السبع إلى العشر القادمة.

9. الاستنتاجات والتوقعات

تلخص هذه المقالة بعض عوامل استبدال بطاريات SLI بحمض الرصاص ببطاريات ليثيوم أيون SLI ، والتي ستكون عملية تدريجية في السنوات القليلة المقبلة. مع الاستخدام المكثف لتخزين نظام الطاقة المتجددة ، سيستمر استخدام بطاريات الرصاص الحمضية في النمو ، وسيتم استخدام تركيز بطاريات الليثيوم أيون SLI في سيارات ICE المتوسطة إلى المتطورة الموجودة في أوروبا ، وبعض التي تقع في آسيا والولايات المتحدة. بالنسبة للعديد من سيارات ICE الصغيرة والرخيصة ، سيستمر استخدام بطارية SLI الحمضية ، لأن تكلفة استبدال البطارية ستكون دائمًا العامل الحاسم. بالإضافة إلى ذلك ، سيزيد السوق الاستهلاكي العالمي من استخدام" ؛ الاقتصاد الدائري&مثل ؛ المنتجات التي ستركز على تقليل النفايات البيئية مع زيادة إعادة تدوير المواد الخام. على الرغم من أن إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون لا تزال في مهدها ، فقد نفذت الصين واليابان ودول أخرى بالفعل مبادرات رئيسية. أظهرت الولايات المتحدة وأستراليا والدول الأوروبية الوظائف الجديدة لإعادة تدوير المواد في بطاريات الليثيوم أيون. ستتم عمليات إعادة التدوير هذه في السنوات الخمس إلى الخمس القادمة. مثالي في عشر سنوات.