هناك ثلاثة أنواع رئيسية منبطاريات الليثيوم أيون(بطاريات الليثيوم أيون): خلايا أسطوانية، وخلايا موشورية، وخلايا كيسية. في صناعة السيارات الكهربائية، تتمحور أبرز التطورات الواعدة حول الخلايا الأسطوانية والموشورية. ورغم أن شكل البطارية الأسطوانية كان الأكثر شيوعًا في السنوات الأخيرة، إلا أن عدة عوامل تشير إلى أن الخلايا الموشورية قد تستحوذ على السوق.

ما هيالخلايا المنشورية

أخلية موشوريةهي خلية كيميائية محاطة بغلاف صلب. يسمح شكلها المستطيل بتكديس وحدات متعددة بكفاءة في وحدة بطارية. يوجد نوعان من الخلايا المنشورية: إما أن تكون صفائح الأقطاب الكهربائية داخل الغلاف (الأنود، الفاصل، الكاثود) مكدسة أو ملفوفة ومسطحة.

بالنسبة لنفس الحجم، يمكن للخلايا المنشورية المكدسة أن تطلق طاقة أكبر في وقت واحد، مما يوفر أداءً أفضل، في حين أن الخلايا المنشورية المسطحة تحتوي على طاقة أكبر، مما يوفر متانة أكبر.

تُستخدم الخلايا المنشورية بشكل أساسي في أنظمة تخزين الطاقة والمركبات الكهربائية. حجمها الكبير يجعلها غير مناسبة للأجهزة الصغيرة مثل الدراجات الكهربائية والهواتف المحمولة. لذلك، فهي أنسب للتطبيقات التي تتطلب استهلاكًا عاليًا للطاقة.

ما هي الخلايا الأسطوانية؟

أخلية أسطوانيةهي خلية مغلفة بغلاف أسطواني صلب. تتميز الخلايا الأسطوانية بصغر حجمها وشكلها الدائري، مما يتيح تكديسها في أجهزة من جميع الأحجام. وعلى عكس أنواع البطاريات الأخرى، يمنع شكلها التورم، وهي ظاهرة غير مرغوب فيها في البطاريات حيث تتراكم الغازات داخل الغلاف.

استُخدمت الخلايا الأسطوانية لأول مرة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة، والتي احتوت على ما بين ثلاث وتسع خلايا. ثم ازدادت شعبيتها عندما استخدمتها شركة تسلا في أولى سياراتها الكهربائية (رودستر وموديل إس)، والتي احتوت على ما بين 6000 و9000 خلية.

تُستخدم الخلايا الأسطوانية أيضًا في الدراجات الكهربائية والأجهزة الطبية والأقمار الصناعية. كما أنها ضرورية في استكشاف الفضاء نظرًا لشكلها؛ إذ أن أنواع الخلايا الأخرى ستتشوه بفعل الضغط الجوي. فعلى سبيل المثال، تعمل المركبة الجوالة الأخيرة التي أُرسلت إلى المريخ باستخدام خلايا أسطوانية. وتستخدم سيارات السباق الكهربائية عالية الأداء من فئة الفورمولا إي نفس الخلايا المستخدمة في بطارية المركبة الجوالة.

الاختلافات الرئيسية بين الخلايا المنشورية والأسطوانية

لا يقتصر الاختلاف بين الخلايا المنشورية والأسطوانية على الشكل فقط، بل تشمل الاختلافات المهمة الأخرى حجمها، وعدد التوصيلات الكهربائية، وقدرة إنتاجها للطاقة.

مقاس

الخلايا المنشورية أكبر بكثير من الخلايا الأسطوانية، وبالتالي تحتوي على طاقة أكبر لكل خلية. ولتوضيح الفرق، يمكن لخلية منشورية واحدة أن تحتوي على نفس كمية الطاقة التي تحتويها من 20 إلى 100 خلية أسطوانية. أما الخلايا الأسطوانية، فصغر حجمها يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب طاقة أقل، مما يجعلها تُستخدم في نطاق أوسع من التطبيقات.

الاتصالات

نظرًا لأن الخلايا المنشورية أكبر حجمًا من الخلايا الأسطوانية، فإن عددًا أقل من الخلايا يكفي للحصول على نفس كمية الطاقة. وهذا يعني أنه بالنسبة لنفس الحجم، تحتوي البطاريات التي تستخدم الخلايا المنشورية على عدد أقل من الوصلات الكهربائية التي تحتاج إلى لحام. تُعد هذه ميزة رئيسية للخلايا المنشورية لأنها تقلل من فرص حدوث عيوب التصنيع.

قوة

قد تخزن الخلايا الأسطوانية طاقة أقل من الخلايا المنشورية، لكنها تتمتع بقدرة أكبر. وهذا يعني أن الخلايا الأسطوانية تُفرغ طاقتها أسرع من الخلايا المنشورية، وذلك لاحتوائها على عدد أكبر من الوصلات لكل أمبير-ساعة. ونتيجة لذلك، تُعد الخلايا الأسطوانية مثالية للتطبيقات عالية الأداء، بينما تُعد الخلايا المنشورية مثالية لتحسين كفاءة الطاقة.

من أمثلة تطبيقات البطاريات عالية الأداء سيارات سباق الفورمولا إي ومروحية إنجينيويتي على سطح المريخ. وكلاهما يتطلب أداءً فائقاً في بيئات قاسية.

لماذا قد تستحوذ الخلايا المنشورية على السلطة؟

يشهد قطاع السيارات الكهربائية تطوراً سريعاً، ولا يزال من غير المؤكد ما إذا كانت الخلايا المنشورية أم الأسطوانية ستسود. في الوقت الراهن، تنتشر الخلايا الأسطوانية على نطاق أوسع في هذا القطاع، ولكن ثمة مؤشرات تدعو إلى الاعتقاد بأن الخلايا المنشورية ستكتسب شعبية أكبر.

أولاً، توفر الخلايا المنشورية فرصة لخفض التكاليف عن طريق تقليل عدد خطوات التصنيع. كما أن شكلها يسمح بتصنيع خلايا أكبر حجماً، مما يقلل من عدد التوصيلات الكهربائية التي تحتاج إلى تنظيف ولحام.

تُعدّ البطاريات المنشورية الشكل الأمثل لتقنية فوسفات الحديد الليثيوم (LFP)، وهي مزيج من مواد أرخص وأكثر توفراً. على عكس التقنيات الكيميائية الأخرى، تستخدم بطاريات LFP موارد متوفرة في كل مكان على كوكب الأرض، ولا تتطلب مواد نادرة وباهظة الثمن مثل النيكل والكوبالت التي ترفع تكلفة أنواع الخلايا الأخرى.

هناك مؤشرات قوية على ظهور خلايا فوسفات الحديد الليثيوم المنشورية. ففي آسيا، يستخدم مصنّعو السيارات الكهربائية بالفعل بطاريات LiFePO4، وهي نوع من بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم المنشورية. كما صرّحت شركة تسلا بأنها بدأت باستخدام بطاريات منشورية مصنّعة في الصين لسياراتها ذات المدى القياسي.

مع ذلك، تنطوي تقنية بطاريات الليثيوم فوسفات الحديد (LFP) على عيوبٍ جوهرية. فهي، على سبيل المثال، تحتوي على طاقة أقل من التقنيات الأخرى المستخدمة حاليًا، وبالتالي لا يمكن استخدامها في المركبات عالية الأداء مثل سيارات الفورمولا 1 الكهربائية. إضافةً إلى ذلك، تواجه أنظمة إدارة البطاريات (BMS) صعوبةً في التنبؤ بمستوى شحن البطارية.

يمكنك مشاهدة هذا الفيديو لمعرفة المزيد عنLFPالكيمياء ولماذا تزداد شعبيتها.