مع تزايد شعبية السيارات الكهربائية، يبقى عنصرٌ واحدٌ محورَ هذه الثورة: بطارية السيارة الكهربائية. إنها أكثر من مجرد مصدر طاقة؛ إنها عقل السيارة الكهربائية وقوتها وقلبها النابض. سواءً كنتَ من عشاق التكنولوجيا أو مهتمًا بالسيارات الكهربائية، سيساعدك هذا الدليل الشامل على فهم كل شيء عن بطارية السيارة الكهربائية، بدءًا من ماهيتها وكيفية عملها، وصولًا إلى أنواعها المتعددة وما يخبئه المستقبل.
ما هي بطارية السيارة الكهربائية؟
بطارية السيارة الكهربائية هي نظام تخزين طاقة قابل لإعادة الشحن يُشغّل محركًا كهربائيًا، وهو بديل لمحرك البنزين في السيارات العادية. عند الضغط على دواسة الوقود في السيارة الكهربائية، تُشغّل البطارية المحرك، الذي يُحرّك العجلات. لا يوجد هدير للمحرك أو انبعاثات عادم، بل عزم دوران سريع ونظيف.
من ماذا تصنع بطاريات السيارات الكهربائية؟
تتكون بطاريات السيارات الكهربائية، وخاصة بطاريات الليثيوم أيون، من عدة مواد أساسية، مُدمجة بعناية لتخزين الطاقة وتوصيلها بكفاءة وأمان. وتشمل هذه المواد الرئيسية:
-
الليثيوم: معدن خفيف الوزن وعالي التفاعل مما يوفر كثافة طاقة عالية.
-
النيكل: يساعد على زيادة تخزين الطاقة ونطاقها.
-
الكوبالت: بسبب التكلفة والمخاوف الأخلاقية، تعمل الكيمياء الحديثة على استبدال الكوبالت أو تقليله، مما يضيف الاستقرار ويمنع ارتفاع درجة الحرارة.
-
المنغنيز: يعمل على موازنة الكيمياء، مما يحسن السلامة والأداء.
-
الجرافيت: يستخدم في القطب السالب (الأنود)، ويقوم بتخزين أيونات الليثيوم عند شحن البطارية.
-
الألومنيوم والنحاس: يستخدمان في مجمعات التيار لنقل الكهرباء داخل البطارية.
-
الإلكتروليت: مادة سائلة أو هلامية تسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بين أقطاب البطارية أثناء الشحن والتفريغ.
تتجنب بعض البطاريات الأحدث، مثل أنواع LFP (فوسفات الحديد الليثيوم)، الكوبالت والنيكل، مما يجعلها أرخص وأكثر استقرارًا - على الرغم من أنها تميل إلى أن يكون مداها أقل قليلاً.
ماذا يوجد داخل بطارية السيارة الكهربائية؟
تعتبر مجموعة بطاريات السيارة الكهربائية عبارة عن نظام معقد يتكون من طبقات:
-
الخلايا: أصغر وحدة، مثل بطارية صغيرة. تتجمع مئات أو آلاف منها في حزمة واحدة.
-
الوحدات: مجموعات من الخلايا المتصلة والمدارة معًا.
-
مجموعة البطارية: الوحدة الكاملة التي تزود السيارة بالطاقة، وتحتوي على وحدات، وأنظمة تبريد، وأجهزة استشعار، وغطاء.
تحتوي كل خلية على:
-
الأنود (عادةً ما يكون من الجرافيت): يخزن أيونات الليثيوم عند شحنها.
-
الكاثود (مصنوع من الليثيوم أو الكوبالت أو النيكل أو المنغنيز أو فوسفات الحديد): يطلق أيونات الليثيوم أثناء التفريغ.
-
الإلكتروليت: يسمح للأيونات الليثيوم بالتنقل بين الكاثود والأنود.
-
الفاصل: يمنع تلامس الأنود والكاثود، مما يمنع حدوث دوائر قصيرة.
يتم مراقبة كل ذلك من خلال نظام إدارة البطارية (BMS)، والذي يضمن التحكم الآمن في درجة الحرارة والجهد والشحن.
كيف تعمل بطاريات السيارات الكهربائية؟
تخزن بطاريات السيارات الكهربائية الطاقة على شكل مواد كيميائية، ثم تُحوّلها إلى كهرباء لتشغيل المحرك. تُطلق الكهرباء تفاعلًا كيميائيًا يُوفّر الطاقة عند شحن البطارية. عند قيادة السيارة، تُرسل البطارية الكهرباء إلى المحرك عن طريق تدوير التفاعل، مما يُؤدّي إلى دوران العجلات، مما يُحرّك السيارة. كما تستخدم السيارات الكهربائية مكابح متجددة لاستعادة الطاقة من التوقف وإرسالها إلى البطارية.
ما هي أنواع البطاريات التي تستخدمها السيارات الكهربائية؟
كما توجد أنواع مختلفة من المحركات، توجد أنواع مختلفة من بطاريات السيارات الكهربائية. لكل منها نقاط قوة ونقاط ضعف واستخدامات مثالية. فيما يلي تفصيل للأنواع الأكثر شيوعًا:
بطاريات ليثيوم أيون (Li-ion)
تستخدم معظم السيارات الكهربائية بطاريات الليثيوم أيون بشكل متزايد. كثافة طاقتها العالية، التي تُحسّن الأداء العام وتُزيد من عدد الأميال لكل شحنة، تجعلها الخيار الأمثل. تحتاج السيارات الكهربائية الحديثة إلى هذه البطاريات لخفة وزنها، وسرعة شحنها، وعمرها الافتراضي الطويل. مع ذلك، وخاصةً في ظل الاستخدام عالي الأداء أو الشحن السريع، تحتاج هذه البطاريات إلى أنظمة إدارة وتبريد مُعقدة لتجنب ارتفاع درجة حرارتها.
بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم
تزداد شعبية بطاريات فوسفات حديد الليثيوم، خاصةً في السيارات الكهربائية الأقل تكلفة والمُصممة للقيادة في المدن. تتميز هذه البطاريات بالأمان والاستقرار وطول العمر، إلا أنها لا تتمتع بمدى تشغيلي كبير. بطاريات فوسفات حديد الليثيوم أرخص في التصنيع وأفضل للبيئة من أنواع بطاريات أيونات الليثيوم الأخرى، لأنها لا تستخدم معادن باهظة الثمن مثل الكوبالت أو النيكل. كما أنها لا تسخن بسهولة، ويمكنها تحمل دورات شحن أطول، مما يعني أنها تدوم عادةً لفترة أطول.
بطاريات النيكل-هيدريد المعدني
بطاريات هيدريد النيكل-معدن موجودة منذ زمن طويل. تُستخدم غالبًا في السيارات الهجينة، وليس في السيارات الكهربائية بالكامل. على سبيل المثال، استخدمت تويوتا خلايا NiMH بكثرة في سيارات بريوس. يُعرف عن هذه البطاريات متانتها وموثوقيتها، فقد استُخدمت في بيئات قاسية وثبتت فعاليتها. من ناحية أخرى، لا تُعدّ بطاريات NiMH كافية لتشغيل السيارات الكهربائية بالكامل، فهي تشغل مساحة أكبر ولا تخزن طاقة بقدر بطاريات الليثيوم، لذا لا يمكنها تخزين نفس القدر من الطاقة.
البطاريات ذات الحالة الصلبة (المستقبل)
تُوصف بطاريات الحالة الصلبة بأنها مستقبل السيارات الكهربائية. فعلى عكس بطاريات السيارات الكهربائية التقليدية التي تستخدم إلكتروليتًا سائلًا، تستخدم بطاريات الحالة الصلبة مادة صلبة لنقل الأيونات بين أقطاب البطارية. لذا، يُتوقع أن توفر أوقات شحن أسرع، ومدى أطول بكثير، وأمانًا أعلى، ومتانة أفضل.
ما هي المدة التي تدوم فيها بطارية السيارة الكهربائية أثناء القيادة؟
تعتمد المسافة التي تقطعها السيارة الكهربائية على عوامل مثل حجم البطارية، وكيفية قيادتها، والطقس. بشحنة كاملة، تستطيع معظم السيارات الكهربائية قطع مسافة تتراوح بين 200 و400 ميل. يمكن أن تقلّص هذه المسافة بسبب القيادة القاسية، والطقس البارد، والتضاريس الجبلية. على سبيل المثال، قد يستهلك التسارع الشديد أو القيادة بسرعات عالية طاقة أكبر، كما أن القيادة في الطقس المتجمد قد تُضعف أداء البطارية.
ما هي مدة صلاحية بطاريات السيارات الكهربائية؟
يتراوح عمر بطاريات السيارات الكهربائية عادةً بين 8 و15 عامًا، ويتأثر ذلك بعوامل مثل نوع البطارية، وعادات القيادة، والظروف البيئية. وبينما تتدهور البطاريات الحالية ببطء، فإن درجات الحرارة العالية، والشحن السريع المتكرر، والتفريغ العميق قد يقلل من عمرها الافتراضي. تقدم معظم الشركات المصنعة ضمانات للبطاريات تتراوح بين 8 و10 سنوات، تغطي عادةً ما بين 100,000 و150,000 ميل. ومع ذلك، مع الصيانة المناسبة، ستواصل العديد من البطاريات أداءها الجيد بعد انتهاء فترة الضمان.
كم تكلفة بطارية السيارة الكهربائية؟
تعتمد تكلفة استبدال بطارية السيارة الكهربائية على حجمها ومداها. تتراوح تكلفة استبدال السيارات الكهربائية الصغيرة ذات البطاريات ذات السعة المنخفضة بين 4000 و7000 دولار أمريكي. أما بالنسبة للطرازات الأكبر والأطول مدىً، فقد يتراوح السعر بين 10000 و20000 دولار أمريكي. وقد انخفضت أسعار البطاريات بشكل كبير في السنوات العشر الماضية بفضل تطور التكنولوجيا واقتصادات الحجم. ومن المرجح أن يستمر هذا الانخفاض. ولأن هذه البطاريات تدوم طويلًا، فمن المرجح أنك لن تحتاج إلى تغييرها في السنوات العشر الأولى.
هل بطاريات السيارات الكهربائية قابلة لإعادة التدوير؟
نعم، يُمكن إعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية، إلا أن العملية لا تزال قيد التطوير. تحتوي بطاريات أيون الليثيوم على مكونات مهمة، مثل النيكل والكوبالت والليثيوم، والتي يُمكن إعادة تدويرها واستخدامها مرة أخرى. تتحسن أساليب إعادة التدوير، ولكن لا يزال هناك حاجة إلى مزيد من العمل على البنية التحتية لدعم عملية الاسترداد على نطاق واسع. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم بعض البطاريات القديمة لأغراض أخرى، مثل تخزين الطاقة، قبل استبدالها بالكامل. مع ازدياد إقبال الناس على شراء السيارات الكهربائية، ستستمر أساليب إعادة تدوير البطاريات في التحسن.
ما هو التالي بالنسبة لبطاريات السيارات الكهربائية؟
مع تطورات مثل بطاريات الحالة الصلبة التي تُبشر بكثافة طاقة أعلى، وشحن أسرع، وعمر افتراضي أطول، يُبشر مستقبل بطاريات السيارات الكهربائية بزخم كبير. إن مداها المتزايد وسلامتها المُحسّنة يُمكّنان من إحداث نقلة نوعية في سوق السيارات الكهربائية. إضافةً إلى ذلك، يُمكن أن تُسهم التحسينات في إعادة تدوير البطاريات في خفض التكاليف وتحسين استدامة منظومة السيارات الكهربائية. ويجري حاليًا البحث عن ابتكارات أخرى، بما في ذلك بطاريات أيونات الصوديوم، كبدائل أقل تكلفة لليثيوم. ومن المتوقع شحن أسرع وأكثر فعالية مع تطور البنية التحتية للشحن، مما سيزيد من جدوى السيارات الكهربائية للاستخدام اليومي.
