تُصنع معظم بطاريات السيارات الكهربائية بكميات متفاوتة من أيونات الليثيوم والكوبالت والنيكل والمنغنيز والسيليكون والإلكتروليتات. بداخلها توجد خلايا البطارية، والتي تتكون من الأنود والكاثود، والفاصل، والكهارل، ومجمعات التيار الموجب والسالب (فكر في الجانب المسطح والجانب مع النتوء في بطارية AA على سبيل المثال). ولكن ماذا يعني ذلك بالضبط؟ لماذا الليثيوم؟ .. نحن هنا لشرح المادة التي تُصنع منها بطاريات السيارات الكهربائية.
للبدء، دعونا نتفق أنه على الرغم من أن بطارية تسلا وبطارية شيفروليه بولت كلاهما بطاريات ليثيوم أيون، فإن هذا لا يعني أنهما مصنوعتان بنفس الطريقة. لكيمياء البطارية تأثير كبير على طريقة شحن وتفريغ حزمة البطارية، وكيفية إدارتها للحرارة، ومقدار الطاقة التي يمكن لكل خلية في حزمة البطارية تخزينها، وتكلفة كل خلية. ولهذا السبب، تحاول شركات تصنيع البطاريات مثل Panasonic وCATL وSamsung SDI وLG دائماً تعديل كيميائها للحصول على أفضل أداء وأقل التكاليف.
الوصفات الدقيقة لخلايا البطاريات الخاصة بمعظم الشركات المصنعة ليست معلومات عامة، حيث أن كل شركة لديها صيغة خاصة بها. ومع ذلك، فإن المكونات الأساسية هي نفسها إلى حد ما، لذلك دعونا نحلل ماهيتها وماذا تفعل، بدءًا من الليثيوم.
الليثيوم Lithium
يشكل الليثيوم الموجود في بطارية ليثيوم أيون (“Li-ion”) الكاثود والأنود، ويعرف أيضاً باسم الجوانب الإيجابية والسلبية لخلية البطارية. تتحرك أيونات الليثيوم داخل الجانب الموجب للخلية (الكاثود) وتولد إلكترونات تريد، بسبب شحنتها السالبة، الوصول إلى الجانب السالب (الأنود) من البطارية ولكنها لا تستطيع ذلك بسبب الفاصل بين الكاثود والأنود . وهذا يعني أن الإلكترونات سوف تتدفق من الجانب الموجب للبطارية، عبر جهازك، وتقوم بتزويده بالطاقة، ثم تعود إلى القطب السالب.
الليثيوم الموجود في الخلية ليس ليثيوم خالصاً لأنه يتفاعل كثيراً مع العناصر الأخرى بحيث لا يكون آمنًا. وبدلاً من ذلك، فإن الليثيوم المستخدم يكون على شكل أكسيد معدن الليثيوم، الذي يعمل على استقرار المزيج. في معظم الحالات، يستخدم المصنعون أكسيد كوبالت الليثيوم على جانب الكاثود من البطارية ومركبات كربون الليثيوم على الأنود.
الكوبالت Cobalt
يستخدم الكوبالت في البطاريات لسببين رئيسيين. أولاً، لأنه يوفر كثافة طاقة ممتازة، مما يعني أنه كلما زادت كمية الكوبالت التي تستخدمها خلية البطارية (إلى حد ما)، زادت كمية الكهرباء التي يمكنها تخزينها. والميزة الأخرى هي أن الكوبالت يزيد من الاستقرار الحراري لخلية البطارية. ما أهمية الاستقرار الحراري؟ كلما قل تفاعل البطارية مع التغيرات في درجات الحرارة، كلما كانت أقل عرضة للانفلات الحراري، وبالتالي أقل عرضة للانفجار في حريق الليثيوم الذي يصعب إخماده.
الاعتماد المفرط على الكوبالت له جوانبه السلبية. يعتبر الكوبالت عنصراً أرضياً نادراً، وهو ليس شائعاً جداً. وهذا يجعلها مكلفة للمصدر. كما أنها تميل إلى التواجد في المناطق التي تعاني من قدر كبير من عدم الاستقرار السياسي والمجتمعي، مما قد يؤدي إلى تقلبات كبيرة في الأسعار بالإضافة إلى انتهاكات كبيرة لحقوق الإنسان من قبل شركات التعدين والبلدان التي تعمل فيها.
وقد دفعت هذه المشكلات الشركات المصنعة للبطاريات إلى محاولة تقليل كمية الكوبالت في كيميائياتها. وهي تقوم بتعويض الكوبالت بالنيكل، وهو أرخص بكثير وأقل ندرة، ولكن له أيضًا جوانب سلبية.
النيكل Nickel
يستخدم النيكل في البطاريات لزيادة كثافة طاقة الخلية، على غرار الكوبالت. لكن عكس الكوبالت، يمكن أن تواجه خلايا البطاريات الغنية بالنيكل مشكلات مع التشققات الدقيقة على سطح الكاثود. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تدهور الأداء في وقت أقصر من البطارية التي تحتوي على كمية أقل من النيكل والمزيد من الكوبالت.
لا يزال هناك الكثير من الإيجابيات لاستخدام النيكل. أولاً، يتم بيعه بحوالي 18.000 دولار إلى 21.000 دولار للطن، مقارنة بالكوبالت، الذي يصل سعره بانتظام إلى أكثر من 30.000 دولار للطن ويعاني من تقلبات أكبر في الأسعار. بعد ذلك، يمكن تخفيف تلك الشقوق الصغيرة التي تسبب فقدان الأداء باستخدام “التدرج” في بناء الكاثود. وهذا يعني أن مركز الكاثود يتكون في معظمه من النيكل، ثم يتم وضع طبقات من معادن أخرى ذات خصائص أداء مختلفة فوقه.
المنغنيز Manganese
العنصر الرئيسي الثالث في العديد من كيمياء البطاريات هو المنغنيز. بينما يعمل النيكل والكوبالت مع الليثيوم لزيادة تخزين الطاقة، يحافظ المنغنيز على كل شيء مستقراً. إنها مادة مضافة هيكلية، وعلى هذا النحو، يتم استخدامها بنسب أقل من النيكل أو الكوبالت.
السيليكون Silicon
ويستخدم السيليكون في الأنود إلى جانب الليثيوم والكربون لزيادة كثافة الطاقة. عند زيادة كثافة الطاقة على الجانب الموجب للخلية التي تحتوي على النيكل والكوبالت، ستحتاج تلك الإلكترونات إلى مكان تذهب إليه بعد رحلتها عبر محركات سيارتك الكهربائية. يعتبر السيليكون رائعًا لأنه مستقر، وغير مكلف، ويمكنه الاحتفاظ بحوالي 10 أضعاف عدد الإلكترونات الموجودة في الجرافيت.
الإلكتروليت أو المحلول الكهربائي Electrolyte
بدون وجود إلكتروليت في خلية البطارية، لن تكون هناك طريقة للإلكترونات للانتقال من القطب الموجب إلى الكاثود أثناء الشحن. إنها الخلطة السرية التي تجعل البطارية تعمل بالكامل. هناك عدة أنواع من الإلكتروليتات ويمكن أن تصبح كيمياءها معقدة، لكنها تنقسم إلى عدة عائلات مختلفة.
المحاليل المائية سائلة، في حين أن المحاليل غير المائية ليست كذلك. ثم لدينا السوائل الأيونية، وهي أكثر استقرارًا في درجة الحرارة ولها خصائص نقل أفضل من المحاليل المائية وغير المائية العضوية. بعد ذلك، هناك إلكتروليتات البوليمر، التي تستخدم البلاستيك كعوامل ربط لها. وأخيرًا، لدينا إلكتروليتات هجينة، وهي هجينة من الأنواع الأخرى.
الفاصل Separator
تتمثل المهمة الرئيسية للفاصل داخل الخلية في منع حدوث دوائر قصيرة عن طريق فصل الكاثود والأنود. عادة ما يكون الفاصل مصنوعًا من البلاستيك المسامي ويسمح لبعض الإلكترونات بالتدفق من الكاثود مباشرة إلى الأنود، وهو ما يُعرف بالتفريغ الذاتي. وهذا أمر طبيعي، ولكن عندما تصبح الخلية ساخنة جدًا، يعمل الفاصل كنوع من الصمامات للخلية. يذوب البلاستيك الموجود في الفاصل وتغلق تلك المسام الصغيرة، مما يؤدي إلى عزل جانب واحد من الخلية بالكامل عن الجانب الآخر، ويمنع نشوب حريق سيئ.
هناك الكثير من الكيمياء المتقدمة التي تحدث داخل بطارية السيارة الكهربائية. نظرًا لأن العديد من بطاريات السيارات الكهربائية تعتمد على معادن أرضية نادرة، فإنها تشكل الجزء الأكثر تكلفة في السيارة وهي جزء من السبب وراء بقاء السعر مرتفعاً.
