بطارية ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4)

أعلنت شركة تسلا في تقاريرها للربع الثالث من عام 2021 عن تحولها إلى استخدام بطاريات LiFePO4 كمعيار جديد في سياراتها. ولكن ما هي بطاريات LiFePO4 تحديداً؟

نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية، 26 مايو 2022 /EINPresswire.com/ — هل تُعدّ هذه البطاريات بديلاً أفضل لبطاريات الليثيوم أيون؟ ما الذي يُميّزها عن البطاريات الأخرى؟

مقدمة عن بطاريات LiFePO4

بطارية فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) هي بطارية ليثيوم أيون تتميز بسرعة شحنها وتفريغها. وهي بطارية قابلة لإعادة الشحن، حيث يُستخدم LiFePO4 ككاثود، بينما يُستخدم قطب الكربون الجرافيتي المدعوم بمعدن كأنود.

تتميز بطاريات LiFePO4 بكثافة طاقة أقل وجهد تشغيل أقل من بطاريات الليثيوم أيون. كما أنها تتميز بمعدل تفريغ منخفض مع منحنيات أفقية، وتُعتبر أكثر أمانًا من بطاريات الليثيوم أيون. تُعرف هذه البطاريات أيضًا باسم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم.

اختراع بطاريات LiFePO4

اخترع جون بي. غودينوف وأروموجام مانثيرام بطاريات الليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4). وكانا من أوائل من حددوا المواد المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون. لا تُعد مواد الأنود مثالية لبطاريات الليثيوم أيون نظرًا لميلها إلى حدوث قصر كهربائي فوري.

وجد العلماء أن مواد الكاثود أفضل مقارنةً بكاثودات بطاريات الليثيوم أيون، ويتجلى ذلك بوضوح في أنواع بطاريات LiFePO4. فهي تعزز الاستقرار والتوصيلية، وتحسن جوانب أخرى عديدة.

تُستخدم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) على نطاق واسع هذه الأيام، ولها تطبيقات متنوعة، بما في ذلك القوارب وأنظمة الطاقة الشمسية والمركبات. تتميز هذه البطاريات بخلوها من الكوبالت وانخفاض تكلفتها مقارنةً بمعظم البدائل، كما أنها غير سامة وتتمتع بعمر تخزين أطول.

مواصفات بطارية LFP -

وظيفة أنظمة إدارة البطاريات في بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم

لا تقتصر مكونات بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) على الخلايا المتصلة فحسب، بل تتضمن نظامًا يضمن بقاء البطارية ضمن الحدود الآمنة. يعمل نظام إدارة البطارية (BMS) على حماية البطارية والتحكم بها ومراقبتها أثناء التشغيل لضمان سلامتها وإطالة عمرها.

وظيفة أنظمة إدارة البطاريات في بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) -

على الرغم من أن خلايا فوسفات الحديد الليثيوم أكثر تحملاً، إلا أنها عرضة لزيادة الجهد أثناء الشحن، مما يقلل من أدائها. وقد تتدهور المادة المستخدمة في الكاثود وتفقد استقرارها. يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) بتنظيم خرج كل خلية ويضمن الحفاظ على أقصى جهد للبطارية.

مع تدهور مواد الأقطاب الكهربائية، يصبح انخفاض الجهد مشكلة خطيرة. إذا انخفض جهد أي خلية عن حد معين، يقوم نظام إدارة البطارية (BMS) بفصل البطارية عن الدائرة. كما يعمل النظام كحماية احتياطية في حالة زيادة التيار، ويوقف تشغيل البطارية أثناء حدوث قصر في الدائرة.

بطاريات LiFePO4 مقابل بطاريات الليثيوم أيون

بطاريات الليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4) غير مناسبة للأجهزة القابلة للارتداء كالساعات، إذ تتميز بكثافة طاقة أقل من أي بطاريات ليثيوم أخرى. مع ذلك، تُعدّ الخيار الأمثل لأنظمة الطاقة الشمسية، والمركبات الترفيهية، وعربات الغولف، وقوارب صيد الأسماك، والدراجات النارية الكهربائية.

★ إحدى المزايا الرئيسية لهذه البطاريات هي عمرها الافتراضي الطويل.

تدوم هذه البطاريات لأكثر من أربعة أضعاف عمر البطاريات الأخرى. وهي أكثر أمانًا، ويمكنها الوصول إلى عمق تفريغ كامل، مما يعني إمكانية استخدامها لفترة أطول.

فيما يلي أسباب إضافية تجعل هذه البطاريات بديلاً أفضل لبطاريات الليثيوم أيون.

★تكلفة منخفضة

تتكون بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) من الحديد والفوسفور، اللذين يُستخرجان بكميات هائلة، وهي رخيصة الثمن. ويُقدّر أن تكلفة بطاريات LFP أقل بنسبة تصل إلى 70% للكيلوغرام الواحد من بطاريات NMC الغنية بالنيكل. ويُعزى هذا التوفير إلى تركيبها الكيميائي. وقد انخفضت أسعار خلايا بطاريات LFP إلى أقل من 100 دولار أمريكي/كيلوواط ساعة لأول مرة في عام 2020.

★ تأثير بيئي صغير
لا تحتوي بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) على النيكل أو الكوبالت، وهما مادتان باهظتا الثمن ولهما تأثير بيئي كبير. هذه البطاريات قابلة لإعادة الشحن، مما يدل على كونها صديقة للبيئة.

★ تحسين الكفاءة والأداء
تُعرف بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) بعمرها الطويل، مما يجعلها خيارًا شائعًا للتطبيقات التي تتطلب طاقة موثوقة وثابتة على المدى الطويل. تتميز هذه البطاريات بمعدلات فقدان سعة أبطأ من بطاريات الليثيوم أيون الأخرى، مما يُسهم في الحفاظ على أدائها على المدى البعيد. إضافةً إلى ذلك، تتميز بجهد تشغيل منخفض، مما يُقلل المقاومة الداخلية ويُسرّع عمليات الشحن والتفريغ.

★ تعزيز السلامة والاستقرار
تتميز بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) بثباتها الحراري والكيميائي، مما يقلل من احتمالية انفجارها أو اشتعالها. وتنتج هذه البطاريات سدس الحرارة التي تنتجها بطاريات NMC الغنية بالنيكل. ونظرًا لقوة الرابطة بين الكوبالت والأكسجين في بطاريات LFP، فإن ذرات الأكسجين تنطلق ببطء أكبر في حالة حدوث قصر في الدائرة أو ارتفاع درجة الحرارة. علاوة على ذلك، لا يتبقى أي ليثيوم في الخلايا المشحونة بالكامل، مما يجعلها مقاومة للغاية لفقدان الأكسجين مقارنةً بالتفاعلات الطاردة للحرارة التي تحدث في خلايا الليثيوم الأخرى.

★ صغير وخفيف الوزن
بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) أخف وزنًا بنسبة 50% تقريبًا من بطاريات أكسيد الليثيوم والمنغنيز، وأخف بنسبة تصل إلى 70% من بطاريات الرصاص الحمضية. عند استخدام بطارية LiFePO4 في مركبة، يقل استهلاك الوقود وتزداد القدرة على المناورة. كما أنها صغيرة الحجم ومدمجة، مما يوفر مساحة في دراجتك النارية أو قاربك أو مركبتك الترفيهية أو حتى في التطبيقات الصناعية.

بطاريات LiFePO4 مقابل البطاريات غير الليثيومية
تتمتع البطاريات غير الليثيومية بعدد من المزايا، ولكن من المرجح أن يتم استبدالها على المدى المتوسط ​​نظراً لإمكانات بطاريات LiFePo4 الجديدة، حيث أن التكنولوجيا القديمة باهظة الثمن وأقل كفاءة.

بطاريات الرصاص الحمضية ☆
قد تبدو بطاريات الرصاص الحمضية اقتصادية في البداية، لكنها في الواقع أكثر تكلفة على المدى الطويل. ويعود ذلك إلى أنها تتطلب صيانة واستبدالًا متكررين. أما بطارية الليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4) فتدوم من ضعفين إلى أربعة أضعاف مدة بطاريات الرصاص الحمضية، ولا تحتاج إلى أي صيانة.

بطاريات جل ☆
لا تحتاج بطاريات الجل، مثل بطاريات الليثيوم فوسفات الحديد، إلى إعادة شحن متكررة، ولا تفقد شحنتها أثناء التخزين. إلا أن شحنها أبطأ، لذا يجب فصلها فور اكتمال الشحن لتجنب تلفها.

بطاريات AGM ☆
بينما تُعدّ بطاريات AGM عرضةً للتلف عند انخفاض سعتها إلى أقل من 50%، يمكن تفريغ بطاريات LiFePO4 بالكامل دون أي خطر للتلف. كما يصعب الحفاظ عليها في حالة جيدة.

تطبيقات بطاريات LiFePO4
تتمتع بطاريات LiFePO4 بالعديد من التطبيقات القيّمة، بما في ذلك

● قوارب الصيد وقوارب الكاياك: يمكنك قضاء وقت أطول على الماء مع وقت شحن أقل ووقت تشغيل أطول. يوفر الوزن الأخف سهولة في التحكم وسرعة أكبر خلال مسابقات الصيد عالية المخاطر.

● الدراجات البخارية والدراجات النارية الصغيرة: لا يوجد وزن زائد يعيق حركتك. اشحن بطاريتك إلى أقل من سعتها الكاملة للقيام برحلات عفوية دون إتلافها.

● التكوينات الشمسية: احمل بطاريات LiFePO4 خفيفة الوزن أينما تأخذك الحياة (حتى إلى قمة جبل أو خارج نطاق الشبكة) لتسخير طاقة الشمس.

●الاستخدام التجاري: هذه هي بطاريات الليثيوم الأكثر أمانًا وقوة مما يجعلها مثالية للتطبيقات الصناعية مثل آلات تنظيف الأرضيات، وبوابات الرفع، وغيرها.

علاوة على ذلك، تقوم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم بتشغيل العديد من الأجهزة الأخرى مثل المصابيح اليدوية والسجائر الإلكترونية وأجهزة الراديو وإضاءة الطوارئ وغيرها من العناصر.

إمكانيات تنفيذ LFP على نطاق واسع
رغم أن بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) أقل تكلفة وأكثر استقرارًا من البدائل، إلا أن كثافة الطاقة فيها تُشكل عائقًا كبيرًا أمام انتشارها على نطاق واسع. تتميز هذه البطاريات بكثافة طاقة منخفضة نسبيًا، تتراوح بين 15 و25%. مع ذلك، يتغير هذا الوضع باستخدام أقطاب كهربائية أكثر سمكًا، كتلك المستخدمة في سيارة موديل 3 المصنعة في شنغهاي، والتي تبلغ كثافة طاقتها 359 واط/لتر.

نظراً لدورة حياة بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم الطويلة، فإنها تتمتع بسعة أكبر من بطاريات الليثيوم أيون ذات الوزن المماثل. وهذا يعني أن كثافة الطاقة لهذه البطاريات ستصبح متقاربة مع مرور الوقت.

ومن العوائق الأخرى أمام الانتشار الواسع لهذه التقنية هيمنة الصين على السوق بفضل كثرة براءات اختراع بطاريات الليثيوم فوسفات الحديد (LFP). ومع انتهاء صلاحية هذه البراءات، يُتوقع أن يتم توطين إنتاج بطاريات الليثيوم فوسفات الحديد، على غرار صناعة السيارات.

تستخدم شركات صناعة السيارات الكبرى، مثل فورد وفولكس فاجن وتسلا، هذه التقنية بشكل متزايد من خلال استبدال تركيبات النيكل أو الكوبالت. ويُعدّ إعلان تسلا الأخير في تقريرها الفصلي مجرد بداية. كما قدّمت تسلا تحديثًا موجزًا ​​عن حزمة بطارياتها 4680، والتي ستتميز بكثافة طاقة ومدى أعلى. ومن المحتمل أيضًا أن تستخدم تسلا تقنية "الخلية إلى الحزمة" لتكثيف عدد أكبر من الخلايا واستيعاب كثافة طاقة أقل.

على الرغم من قدمها،LFPوقد يكون انخفاض تكاليف البطاريات عاملاً حاسماً في تسريع انتشار السيارات الكهربائية على نطاق واسع. وبحلول عام 2023، من المتوقع أن تقترب أسعار بطاريات الليثيوم أيون من 100 دولار/كيلوواط ساعة. وقد تُمكّن بطاريات الليثيوم فوسفات الحديد (LFP) شركات صناعة السيارات من التركيز على عوامل مثل سهولة الاستخدام أو سرعة إعادة الشحن بدلاً من السعر فقط.