صرح نائب رئيس المفوضية الأوروبية ماروش شيفتشوفيتش أنه بحلول عام 2025، سيكون الاتحاد الأوروبي قادرًا على إنتاج ما يكفي من البطاريات لتشغيل المركبات الكهربائية التي تشهد نموًا سريعًا. وهذا من شأنه أن يلغي الحاجة إلى الاعتماد على البطاريات المستوردة.
وفي إطار خطتها لتحقيق "الحياد المناخي" بحلول عام 2050، تهدف الاتحاد الأوروبي إلى زيادة الإنتاج المحلي في الصناعات الخضراء. ويشمل ذلك استخدام وقود الهيدروجين لإنتاج الصلب منخفض الكربون، والبطاريات للمركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة.
في الوقت الحالي، يوجد حوالي 80% من إنتاج بطاريات الليثيوم أيون في العالم في الصين. ولكن وفقًا لخطة الاتحاد الأوروبي، فإن قدرة إنتاج بطاريات الليثيوم أيون في أوروبا ستتوسع بسرعة.
هناك حاليا 15 مصنعا كبيرا للبطاريات قيد الإنشاء في أوروبا، بما في ذلك مصانع شركة نورثفولت السويدية في السويد وألمانيا، ومصانع شركة كاتل الصينية لتصنيع البطاريات في ألمانيا، والمصنع الثاني للشركة الكورية الجنوبية إس كيه إنوفيشن في المجر.
وتتوقع المفوضية الأوروبية أنه بحلول عام 2025 سيكون هناك 13 مليون سيارة منخفضة الانبعاثات على الطرق الأوروبية، وهو ما يتطلب المزيد من الاستثمار.
1. مواد الكاثود
أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2)
سمات:تتمتع بكثافة طاقة عالية، مما يسمح لها بتخزين المزيد من الكهرباء في البطارية. منصة التفريغ الخاصة بها مستقرة، ويظل خرج الجهد ثابتًا نسبيًا، مما يضمن إمدادًا مستقرًا بالطاقة للجهاز أثناء الاستخدام. على سبيل المثال، يتم استخدامها على نطاق واسع في المنتجات الإلكترونية 3C، مثل الهواتف الذكية المبكرة.
سيناريو التطبيق:تستخدم بطاريات الليثيوم أيون بشكل أساسي في الأجهزة الإلكترونية الصغيرة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. ومع ذلك، نظرًا لندرة موارد الكوبالت، وتقلبات الأسعار الكبيرة، وبعض المخاطر البيئية والسلامة، فإن استخدامها في مجالات البطاريات واسعة النطاق (مثل المركبات الكهربائية) محدود.
أكسيد الليثيوم والنيكل والمنجنيز والكوبالت (NMC، LiNiₓMnₓCo₁ – ₂ₓO₂)
سمات:من خلال تعديل نسبة النيكل (Ni) والمنجنيز (Mn) والكوبالت (Co)، يمكن تحقيق التوازن بين كثافة طاقة البطارية وعمر دورة حياتها وسلامتها. على سبيل المثال، يؤدي ارتفاع محتوى النيكل إلى زيادة كثافة الطاقة، بينما يساعد إضافة المنجنيز في تحسين سلامة البطارية واستقرارها.
سيناريوهات التطبيق:تستخدم على نطاق واسع في المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة. على سبيل المثال، تستخدم موديلات مثل Tesla Model 3 بطاريات NMC، والتي تلبي متطلبات المدى الطويل للمركبات الكهربائية مع ضمان سلامة البطارية وطول عمرها.
فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO₄)
سمات:يوفر ثباتًا حراريًا جيدًا، مما يجعله آمنًا نسبيًا في البيئات ذات درجات الحرارة العالية وأقل عرضة للمواقف الخطيرة مثل الانفلات الحراري. كما يتمتع بدورة حياة طويلة، مع تدهور أبطأ للسعة بعد عمليات شحن وتفريغ متعددة. ومع ذلك، فإن كثافة طاقته منخفضة نسبيًا، مما يعني أنه قد لا يخزن قدرًا كبيرًا من الكهرباء مثل بعض مواد الكاثود الأخرى من نفس الحجم أو الوزن.
سيناريوهات التطبيق:نظرًا لسلامتها العالية وعمرها الطويل، فهي تُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب هذه السمات، مثل الحافلات الكهربائية ومحطات تخزين الطاقة. على سبيل المثال، تستخدم بعض حافلات BYD الكهربائية بطاريات فوسفات الليثيوم والحديد، مما يوفر حل طاقة آمن وموثوق به للنقل العام في المناطق الحضرية.
أكسيد الليثيوم والمنجنيز (LiMn2O₄)
سمات:إنها منخفضة التكلفة، ومواردها وفيرة، وعملية تصنيعها بسيطة نسبيًا، مما يجعلها فعّالة من حيث التكلفة. كما أنها تتمتع بأداء عالي السرعة، وقادر على الشحن والتفريغ بتيار كبير في وقت قصير، مما يجعلها مناسبة للسيناريوهات التي تتطلب الشحن السريع أو خرج الطاقة العالي. ومع ذلك، فإن عمر دورة حياتها وأدائها في درجات الحرارة العالية ضعيفان نسبيًا.
سيناريوهات التطبيق:يستخدم بشكل شائع في أدوات الطاقة والمركبات الكهربائية الخفيفة وغيرها من المعدات الحساسة للتكلفة والتي لها متطلبات محددة لأداء معدل البطارية.
2. مواد الأنود
الجرافيت
سمات:يشتمل الجرافيت على أنواع طبيعية وصناعية. ويتميز بموصلية جيدة وبنية طبقية، مما يوفر قنوات إدخال واستخراج فعّالة لأيونات الليثيوم، مما يسمح بعمليات شحن وتفريغ البطارية بسلاسة. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع مواد الجرافيت بثبات كيميائي جيد ويمكنها الحفاظ على أداء مستقر نسبيًا في بيئة تشغيل البطارية.
سيناريوهات التطبيق:الجرافيت هو الأكثر استخدامًا على نطاق واسع الأنود مادة موجودة عادة في مختلف بطاريات الليثيوم أيون، بدءًا من بطاريات الهواتف المحمولة وحتى بطاريات السيارات الكهربائية.
المواد القائمة على السيليكون
سمات:يتمتع السيليكون بسعة نظرية نوعية عالية للغاية. ويمكنه تخزين أيونات الليثيوم أكثر من الجرافيت، مما يحسن بشكل كبير كثافة طاقة البطارية. ومع ذلك، يتعرض السيليكون لتغيرات كبيرة في الحجم أثناء عملية الشحن والتفريغ. وقد يؤدي هذا إلى تفتت مواد الأقطاب الكهربائية وتساقطها، مما يؤثر على عمر دورة البطارية واستقرار الأداء.
سيناريوهات التطبيق:مع التقدم التكنولوجي المستمر، اكتسب استخدام المواد القائمة على السيليكون في بطاريات الليثيوم أيون عالية الأداء اهتمامًا كبيرًا. وتعمل مؤسسات البحث والشركات على تطوير مواد الأنود المركبة من السيليكون والكربون للجيل القادم من البطاريات عالية الكثافة. ومن المتوقع أن يتم استخدامها على نطاق واسع في المركبات الكهربائية المستقبلية والأجهزة الإلكترونية المتطورة.
تيتانات الليثيوم (Li₄Ti₅O₁₂)
سمات:تيتانات الليثيوم هي مادة خالية من الإجهاد. أثناء عملية إدخال واستخراج أيونات الليثيوم، لا يتغير حجم مادة القطب الكهربائي تقريبًا، مما يوفر عمر دورة ممتازًا والقدرة على تحمل دورات شحن وتفريغ متعددة. كما تتمتع أيضًا بسلامة عالية وأداء جيد للمعدل، مما يسمح بالشحن والتفريغ السريع. ومع ذلك، فإن كثافة طاقتها منخفضة نسبيًا.
سيناريوهات التطبيق:يتم استخدامه بشكل أساسي في التطبيقات التي تتطلب عمر بطارية طويلًا ومستوى عالٍ من الأمان، مثل أنظمة تخزين الطاقة والمركبات الكهربائية المتخصصة.
3. الالكتروليت
الكربونات العضوية
سمات:الكربونات العضوية المستخدمة بشكل شائع، مثل كربونات الإيثيلين (EC) وكربونات البروبيلين (PC). تتمتع هذه الكربونات بقدرة جيدة على الذوبان ويمكنها إذابة أملاح الليثيوم بالكامل، مما يضمن أن يكون للإلكتروليت موصلية أيونية عالية. تتمتع هذه الكربونات أيضًا بثبات كهروكيميائي جيد وتظل مستقرة ضمن نطاق جهد تشغيل البطارية. وهي لا تتحلل أو تتفاعل بطرق تؤثر على أداء البطارية.
سيناريوهات التطبيق:الكربونات العضوية هي المكون الرئيسي لإلكتروليتات بطاريات الليثيوم أيون وتستخدم على نطاق واسع في أنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم أيون.
أملاح الليثيوم
سمات:يعتبر سداسي فلورو فوسفات الليثيوم (LiPF₆) أكثر أملاح الليثيوم استخدامًا. فهو يوفر أيونات الليثيوم في الإلكتروليت ويتمتع بموصلية أيونية جيدة في المذيبات العضوية المناسبة. ومع ذلك، فهو حساس للرطوبة ويتحلل بسهولة عند تعرضه للماء، لذا يجب التحكم في مستويات الرطوبة بعناية أثناء إنتاج البطاريات واستخدامها.
سيناريوهات التطبيق:باعتبارها مكونًا أساسيًا في الإلكتروليت، تُستخدم أملاح الليثيوم لتحضير الإلكتروليتات لمختلف بطاريات الليثيوم أيون. وهي ضرورية لضمان التشغيل السليم للبطارية.
4. مواد الحجاب الحاجز
البولي أوليفينات (مثل البولي إيثيلين PE والبولي بروبيلين PP)
سمات:تتمتع البولي أوليفينات بخواص ميكانيكية جيدة ويمكنها تحمل الضغط الداخلي للبطارية. كما أنها تمنع الاتصال المباشر بين الأقطاب الموجبة والسالبة، مما قد يتسبب في حدوث ماس كهربائي. كما تتمتع أيضًا بقابلية جيدة للبلل مع الإلكتروليت. وهذا يضمن الاختراق السليم للإلكتروليت في الفاصل وتوفير قناة لنقل أيونات الليثيوم. علاوة على ذلك، تتمتع البولي أوليفينات بثبات كيميائي جيد ولا تميل إلى التفاعل مع مواد أخرى في البطارية.
سيناريوهات التطبيق:تعتبر البولي أوليفينات المواد الرئيسية المستخدمة في أجهزة فصل بطاريات الليثيوم أيون. وتلعب دورًا حيويًا في ضمان سلامة وأداء منتجات بطاريات الليثيوم أيون المختلفة.
