EN
Quick Links
يقوم المصعد (الأنود) الموجود داخل بطارية الليثيوم أيون بمهام مهمة إلى حد ما خلال دورات الشحن والتفريغ، وهو في الغالب مصنوع من مواد مثل الجرافيت أو السليكون في الوقت الحالي. يظل الجرافيت المادة المُعتمدة على نطاق واسع لمعظم المصاعد لأنه يعمل بشكل جيد كهروكيميائيًا ولا يكلف الكثير من المال. ما يجعل الجرافيت مميزًا هو هيكله الطبقي الذي يسمح لIONS الليثيوم بالتحرك داخله وخارجه دون مشكلة كبيرة، مما يحافظ على تشغيل البطارية بسلاسة. أما السليكون فيمتلك إمكانات رائعة لتخزين طاقة أكبر مقارنة بالجرافيت، لكن هناك عائقًا. عندما يمر السليكون بدورة الشحن، فإنه يميل إلى التمدد بشكل كبير، ويمكن أن يؤدي هذا التمدد إلى تقليل عمر البطارية قبل أن تتلف. يدرس العلماء هذه المشكلة منذ سنوات عديدة. أظهرت بعض الدراسات الحديثة أن تغطية المصاعد المصنوعة من الجرافيت بطبقة من أكسيد السليكون يساعد على جعلها تدوم لفترة أطول بين عمليات الشحن، مما يعني تحسنًا في الأداء على المدى الطويل للنظام الكلي للبطارية.
يلعب نوع مادة الكاثود المستخدمة دوراً كبيراً في تحديد كمية الطاقة التي يمكن لبطارية الليثيوم أيون تخزينها، ومستوى تحملها للحرارة. خياران شائعان في السوق حالياً هما أكسيد الليثيوم-كوبالت (LCO) وفوسفات الليثيوم-حديد (LFP). ففي حين تمنح مادة LCO البطاريات قدرة كبيرة على تخزين الطاقة، إلا أنها تميل إلى حدوث مشكلات عند ارتفاع درجات الحرارة، مما يجعلها أقل أماناً بشكل عام. من ناحية أخرى، فإن مواد LFP أكثر أماناً بشكل كبير وتعامل مع الحرارة بشكل أفضل، على الرغم من أنها لا توفر نفس الكثافة الطاقية مثل LCO. إذا نظرنا إلى ما يجري حالياً في قطاع البطاريات، فإن العديد من الشركات المصنعة تتجه نحو خلطات NMC التي تجمع بين النيكل والمنغنيز والكوبالت. تبدو هذه المواد أنها تحقق توازناً جيداً بين قوة الإخراج الكهربائي والخصائص الأمنية. تشير البيانات الصناعية إلى أن حوالي 30% من البطاريات المنتجة عالمياً الآن تحتوي على تركيبة ما من نوع NMC، مما يدل على أن الشركات تُقدّر بشكل متزايد كل من التحسينات في الأداء والخصائص الموثوقة لإدارة الحرارة.
الإلكتروليتات الموجودة داخل بطاريات الليثيوم أيون تعمل بشكل أساسي كممر تمر من خلاله الأيونات ذهابًا وإيابًا بين مواد الأنود والكاثود، وهي عملية ضرورية تمامًا لتحقيق أداء جيد للبطارية. وعلى مدار معظم تاريخها، اعتمدت هذه البطاريات على الإلكتروليتات السائلة لأنها توصل الأيونات بشكل جيد للغاية. لكن في الآونة الأخيرة، ظهرت مخاوف متزايدة بشأن قضايا السلامة، حيث دفع عدد كبير جدًا من الحوادث المتعلقة بتسرب البطاريات وحتى الحرائق الباحثين نحو تطوير بدائل صلبة. توفر الإلكتروليتات الصلبة سلامة أفضل لأنها لا تشتعل بسهولة، مما يقلل من الانفجارات الخطرة التي تحدث أحيانًا في مجموعات البطاريات. وأظهرت أعمال حديثة نُشرت في أماكن مثل Electrochimica Acta أن العلماء يحققون تقدمًا في تحسين كل من توصيل الأيونات عبر هذه المواد الصلبة واستقرارها الكلي. وإذا تحققت هذه التطورات، فقد يعني ذلك بطاريات أكثر أمانًا في جميع أنواع الأجهزة، من الهواتف الذكية إلى المركبات الكهربائية في السنوات القادمة.
تلعب الفواصل الموجودة داخل بطاريات الليثيوم أيون دوراً أساسياً في منع حدوث الدوائر القصيرة من خلال إنشاء حائل بين الأنود والكاثود مع السماح للشحنات بالمرور من خلاله. خلال السنوات الأخيرة، شهدنا العديد من الابتكارات التي تهدف إلى تحسين أداء هذه الفواصل وزيادة درجة سلامتها. توفر المواد مثل الفواصل المغطاة بطبقة سيراميكية مقاومة حرارية أفضل بكثير، مما يعني أنها لا تفشل بسهولة عندما ترتفع درجات الحرارة. وبحسب ما نشر في مجلة علوم الغشاء، فإن هذه الفواصل المتقدمة تقلل فعلياً من مقاومة التيار الداخلية داخل خلية البطارية. وهذا يؤدي إلى تشغيل أكثر أماناً، كما يجعل البطارية بأكملها تعمل بكفاءة أكبر. ويدعم هذا الأمر العديد من الدراسات التي توضح مدى أهمية تصميم الفواصل الجيدة للحصول على عمر أطول للأجهزة التي تعمل بتقنية الليثيوم أيون.
فهم كيفية عمل ترتيبات الخلايا في السلسلة والتوازي يُحدث فرقاً كبيراً عند محاولة استخلاص أقصى استفادة ممكنة من حزم البطاريات. عندما تُربط الخلايا على التوالي، فإنها تتصل واحدة تلو الأخرى، مما يزيد من جهد الإخراج دون تغيير السعة الكلية. يعمل هذا الترتيب بشكل جيد في الحالات التي يُحتاج فيها إلى فولتية أعلى، فكّر مثلاً في السيارات الكهربائية أو بعض أنظمة الألواح الشمسية. من ناحية أخرى، تُحافظ الاتصالات على التوازي على مستوى الجهد القريب من ذلك الذي تنتجه خلية واحدة، لكنها تزيد السعة الكلية. مما يجعلها مناسبة للأنظمة مثل أنظمة تخزين الطاقة الشمسية التي تحتاج إلى العمل لفترة أطول قبل الحاجة إلى الشحن. والاختيار يعتمد حقاً على الاحتياجات المحددة للتطبيق.
تخيّل أن تكوينات السلسلة تشبه إضافة مسارات إضافية على الطريق السريع بحيث يمكن لعدد أكبر من السيارات (أو الجهد الكهربائي) التحرك في وقت واحد. أما التكوينات الموازية فتعمل بشكل مختلف، ويمكن تشبيهها بتوسيع عرض الطريق الحالي لاستيعاب شاحنات أكبر (وهو ما يمثل زيادة في السعة). خذ على سبيل المثال السيارات، فإن معظم مصنعي السيارات الكهربائية يعتمدون على توصيل السلاسل، لأن المحركات الكهربائية تحتاج إلى دفعة جهد كهربائي لتنطلق بشكل صحيح. ولكن عند النظر إلى حلول تخزين الطاقة الشمسية، فإن الشركات تميل إلى التفضيل التوصيل الموازي، لأن هذه التكوينات توفر مساحة تخزين أكبر بكثير بشكل عام، وهو أمر منطقي إذا أردنا أن تكون أنظمتنا للطاقة المتجددة قادرة على تخزين ما يكفي من الطاقة خلال الأيام الغائمة.
يلعب التحكم في درجة الحرارة دوراً كبيراً في الحفاظ على أداء البطاريات وسلامتها. عندما تمر البطاريات بدورة الشحن والتفريغ، فإنها تميل إلى التسخين من الداخل. إذا تُرك هذا التراكم الحراري بدون تحكم، فإنه قد يؤثر بشكل كبير على كفاءة البطارية على المدى الطويل وقد يؤدي حتى إلى مواقف خطرة. ولذلك، يصمم المهندسون أنظمة خاصة للحفاظ على برودة داخل حزم البطاريات. هناك أساساً منهجان للتبريد. الأنظمة السلبية تعتمد على مواد ذات توصيل جيد أو مسارات حرارية محسنة مدمجة في التصميم نفسه. أما التبريد النشط فيستخدم مكونات فعلية تُضاف إلى المزيج مثل مراوح صغيرة تُحرك الهواء فوق الخلايا أو أنظمة دوّارة للسائل تُزيل الحرارة بشكل فعّال من المناطق الحساسة التي قد تتسبب فيها الحرارة بمشاكل.
لقد جعلت التطورات التكنولوجية الحديثة حلول إدارة الحرارة أكثر كفاءة في أداء مهامها، ويمكننا ملاحظة ذلك في التطبيق العملي. خذ على سبيل المثال السيارات الكهربائية - حيث تحتوي العديد منها الآن على أنظمة تبريد متطورة مدمجة مباشرة داخل حزم البطاريات. تحافظ هذه الأنظمة على سير العمليات بسلاسة حتى في حالات التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة، مما يساعد على تمديد عمر البطاريات قبل الحاجة إلى استبدالها. كما أنها تمنع حدوث حالات خطرة تُعرف باسم الانفجارات الحرارية. وبحسب دراسات واختبارات ميدانية متعددة، فإن هذه التقنيات الخاصة بالتدفئة والتبريد تحدث فرقاً كبيراً في أداء البطاريات. تبقى الحزم محمية وتعمل كما هو متوقع طوال دورة حياتها بالكامل، دون حدوث أعطال مفاجئة أو انخفاض في السعة.
تُعتبر أنظمة إدارة البطاريات (BMS) مهمة للغاية للحفاظ على سلامة حزم البطاريات وعملها بشكل جيد، لأنها تراقب باستمرار أشياء مثل مستويات الجهد الحراري ومدى سخونة البطاريات. وفي حال عدم وجود مراقبة مناسبة، يمكن أن تحدث مشاكل مثل ارتفاع درجة الحرارة بشكل غير طبيعي أو تقلبات الجهد غير المتوقعة، وهي أمور لا يرغب أحد في مواجهتها عند التعامل مع حزم البطاريات. وعادةً ما تكون معظم أنظمة BMS مزودة بنقاط تحذيرية مدمجة لقياسات درجة الحرارة والجهد. وعندما تتجاوز هذه القيم الحدود الطبيعية، تتدخل النظام لتفعيل إجراءات الأمان بهدف منع الأعطال المحتملة أو المواقف الخطرة. على سبيل المثال، في بطاريات الليثيوم أيون، يضبط العديد من المصنّعين آليات التبريد بحيث تبدأ التشغيل بمجرد وصول درجة الحرارة إلى حوالي 60 درجة مئوية. ووجدت دراسة حديثة أجرتها جامعة كاليفورنيا أن المراقبة الجيدة لأنظمة إدارة البطاريات تمد فعليًا من عمر البطارية بنسبة تصل إلى 30٪، إلى جانب تحسين الأمان أثناء الاستخدام. والتحكم في تلك المعايير الأساسية يعني أن البطاريات التي تعمل بالطاقة الشمسية تدوم لفترة أطول وتؤدي أداءً أفضل على المدى الطويل، وهو أمر بالغ الأهمية في تطبيقات الطاقة المتجددة.
تُعد أنظمة إدارة البطاريات (BMS) عاملاً أساسياً في الحفاظ على عمل خلايا البطاريات الشمسية الداخلية بشكل متزامن وسليم، وذلك من خلال التحكم بشكل أفضل بعمليات التفريغ والشحن. عندما يتم توزيع الطاقة بشكل متساوٍ عبر البطارية، فإن هذه الأنظمة تُحدث فرقاً كبيراً في كمية الطاقة الشمسية التي يمكن تخزينها فعلياً. تُظهر بعض الدراسات أن إعداداً جيداً لأنظمة إدارة البطاريات يمكن أن يزيد كفاءة التخزين بنسبة تصل إلى 15 بالمئة. والنتيجة العملية لذلك تتجلى بوضوح في جوانب اثنين: تحسين الأداء العام للنظام وزيادة عمر البطاريات. سواء كان الشخص يقوم بتركيب الألواح الشمسية في منزله أو يدير أنظمة أكبر، فإن تركيب نظام إدارة بطاريات موثوق يُحدث فرقاً كبيراً. وفي حال عدم وجود هذا النظام، فإن المستخدمين يجدون أنفسهم مضطرين لاستبدال البطاريات بشكل متكرر، بدل الاستمتاع بأداء مستقر وطويل الأمد من أنظمة الطاقة الشمسية الخاصة بهم.
التركيب الكيميائي للبطارية مهم حقًا من حيث مدى كفاءة عملها، وخاصة في أنظمة الطاقة الشمسية. تحتوي معظم البطاريات الليثيوم أيون التقليدية إما على أكسيد الليثيوم والكوبالت أو أكسيد الليثيوم والمنغنيز في داخلها. لكن حزم البطاريات المخصصة للطاقة الشمسية تميل إلى استخدام نوع آخر يُعرف باسم فوسفات الليثيوم والحديد (LiFePO4)، وذلك لأن هذا النوع يوفر ميزات أمان أفضل ويتمتع بعمر افتراضي أطول بمرور الوقت. الاختلاف في التركيب الكيميائي يعني أن هذه البطاريات الشمسية قادرة على تحمل عدد أكبر بكثير من دورات الشحن والتفريغ مقارنة بالإصدارات القياسية من بطاريات الليثيوم أيون. تشير الدراسات إلى أن LiFePO4 يوفر بالفعل عمرًا أطول في الدورات بالإضافة إلى مقاومة حرارية أفضل، وهو أمر بالغ الأهمية لأنظمة تخزين الطاقة الشمسية نظرًا لضرورة تشغيلها بشكل منتظم خلال النهار. كل هذا يسهم في تحسين الأداء الكلي وزيادة عمر الخدمة، لذا ليس من المستغرب أن يتجه العديد من أصحاب المنازل الذين يفكرون في خيارات الطاقة الشمسية إلى تقنية LiFePO4 لتركيباتها السكنية.
عند تجميع حزم البطاريات لأنظمة الطاقة الشمسية المنزلية، هناك مجموعة من العوامل التي تلعب دوراً كبيراً في ضمان عملها بكفاءة على المدى الطويل. من أبرز هذه العوامل ما يلي: عدد مرات الشحن والتفريغ التي تتحملها البطارية قبل أن تبدأ في التدهور، سرعة الشحن، ونوعية الإخراج الكهربائي المتوفر خلال هذه الدورات. تؤثر كل هذه الجوانب على كفاءة البطارية ومتانتها في الاستخدام العملي. تحتاج التصاميم الجيدة إلى التكيف مع متطلبات الطاقة المتغيرة في المنازل دون فقدان كفاءتها. على سبيل المثال، تُعدّ بطارية Tesla Powerwall (باوروال) منتجًا اكتسب شعبية بين أصحاب المنازل الباحثين عن حلول موثوقة لتخزين الطاقة. تقوم هذه البطارية بتخزين الطاقة الزائدة الناتجة عن الألواح الشمسية خلال النهار وإعادة توزيعها داخل المنزل في أوقات ارتفاع أسعار الكهرباء أو انقطاع التيار عن الشبكة. إن دراسة التطبيقات الواقعية مثل هذه تساعد في فهم سبب تأثير الاختيارات التصميمية على إطالة عمر البطارية وتحسين الأداء العام لأنظمة الطاقة الشمسية المنزلية.
يُشهد عالم البطاريات تغييرات كبيرة بفضل التطورات الجديدة في أنود السيليكون. حيث يوفر هذا النوع من الأنودات قدرة تخزينية أفضل بكثير مقارنةً بمواصفات الأنودات التقليدية المصنوعة من الجرافيت. إذ يمتلك السيليكون القدرة على حمل ما يقارب عشرة أضعاف ما يحمله الجرافيت من أيونات الليثيوم، مما يعني أن البطاريات يمكن أن تكون أكثر قوة وفعالية بشكل عام. بدأت شركات تصنيع الأجهزة الاستهلاكية وشركات السيارات الكهربائية بالفعل باستخدام تقنية أنود السيليكون، لأن منتجاتها تدوم لفترة أطول بين الشحنات وتعمل بشكل أفضل أيضًا. ووجدت دراسة نُشرت في مجلة مصادر الطاقة أن هذه التحسينات ترفع السعة بنسبة تقارب 40 في المئة، مما يجعلها مناسبة للأجهزة التي تحتاج إلى طاقة كبيرة. وبعيدًا عن مجرد تشغيل هواتفنا ومركباتنا، فإن هذه التقنية تساعد أيضًا في دفع أنظمة بطاريات الطاقة الشمسية إلى الأمام. يبدأ المزيد من المنازل الآن في اعتماد حلول التخزين الشمسية هذه، حيث أصبحت خيارات ميسرة لالتقاط طاقة الشمس خلال النهار لاستخدامها لاحقًا في الليل أو أيام الطقس السيئ.
تُعدّ الإلكتروليتات الصلبة تطوراً كبيراً مقارنةً بتلك الإلكتروليتات السائلة التقليدية، حيث تُحسّن ميزات الأمان والأداء العام للبطاريات الحديثة. ما هو الميزة الأساسية؟ لا تسربات بعد الآن! بالإضافة إلى ذلك، فهي لا تعاني من تلك الحوادث الحرارية الخطرة التي تؤثر على العديد من تصميمات البطاريات الحالية. هذا التحوّل في المقاربة يعني أن المصنّعين لم يعودوا يعتمدون بشكل كبير على السوائل القابلة للاشتعال، مما يؤدي إلى حزم بطاريات أكثر استقراراً بكثير. أظهرت أبحاث من مجلة 'Journal of Materials Chemistry A' أن هذه الخيارات الصلبة تدوم لفترة أطول وتتعامل بشكل أفضل مع الحرارة، وهو أمر مهم للغاية بالنسبة للهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وخاصةً السيارات الكهربائية. ما يُميّزها أكثر هو قدرتها على التحمّل الظروف القاسية دون أن تتدهور حالتها. كما أننا بدأنا نراها تظهر في أنظمة تخزين الطاقة الشمسية المنزلية كذلك، حيث تُعدّ الموثوقية عاملاً أساسياً عند الاعتماد على تقنيات الليثيوم أيون المتطورة لتلبية احتياجات الطاقة اليومية.