دليل شامل لبطاريات الليثيوم أيون: تطبيقات الطاقة والاستهلاك وتخزين الطاقة

يمكن تقسيم بطاريات الليثيوم أيون إلى بطاريات ليثيوم استهلاكية صغيرة (3C)، وبطاريات ليثيوم للطاقة، وبطاريات تخزين طاقة كبيرة وفقًا لتطبيقاتها النهائية.

أولًا: بطارية الطاقة

البطاريات المزودة للطاقة هي بطاريات توفر الطاقة للأجهزة الكهربائية، وتشكل حاليًا مجال تطبيق سريع النمو لبطاريات الليثيوم أيون. وتُستخدم هذه البطاريات على نطاق واسع في المركبات الكهربائية الجديدة، والأدوات الكهربائية، والدراجات الكهربائية، وغيرها. وتعتبر بطاريات الطاقة نوعًا من بطاريات تخزين الطاقة، وتُستخدم أساسًا في السيارات الكهربائية. ونظرًا لقيود الحجم والوزن في السيارات، إضافة إلى متطلبات التسارع، فإن بطاريات الطاقة تتطلب أداءً أعلى مقارنة بالبطاريات العادية لتخزين الطاقة. وتشمل هذه المتطلبات كثافة طاقة أعلى، وسرعات شحن أسرع، وتيارات تفريغ أكبر، في حين أن البطاريات العادية لتخزين الطاقة لا تتطلب مثل هذه المواصفات الصارمة.

1. ميزات المنتج:

بالنسبة للبطاريات الليثيومية من نوع الطاقة، هناك حاجة إلى مزيد من الاعتبارات فيما يتعلق بسرعة الشحن، ومدى القيادة، والموثوقية، والاتساق، نظرًا للمتطلبات طويلة الأجل (على الأقل 5-10 سنوات). كثافة الطاقة: تمثل حزمة البطارية حوالي 25٪ من وزن السيارة، وتؤثر التغيرات في وزن البطارية بشكل مباشر على استهلاك طاقة المركبة. ولنفس الكمية من الشحن، تؤدي حزمة البطارية ذات الكثافة الأعلى إلى مدى قيادة أطول. سرعة الشحن: تعد سرعة الشحن مؤشراً هاماً أيضاً بالنسبة للبطاريات الكهربائية الحالية. ويقوم مصنعو البطاريات الرئيسيون حاليًا بتصميم معدلات شحن تتراوح بين 4C و6C، أو حتى أعلى، لتقليل وقت انتظار المستخدم. السلامة والاتساق: تستخدم حزم بطاريات المركبات الكهربائية عددًا كبيرًا من البطاريات المتصلة على التوالي والتوازي. ومن الناحية المثالية، ينبغي أن تكون احتمالية عطل بطارية كهربائية (من حيث السلامة، والتخزين، وعمر الدورة، إلخ) أقل من واحد من بين مئة مليون. وإذا بقيت هذه الاحتمالية منخفضة باستمرار، فقد تكون البطارية عرضة للشحن الزائد والتفريغ الزائد أثناء الاستخدام، ما قد يؤدي إلى مشكلات في السلامة.

2. نوع القطب الموجب:

حاليًا، تشمل الأنواع الرئيسية لبطاريات الطاقة في السوق بطاريات الليثيوم الثلاثية، وبطاريات LiFePO4، وبطاريات LiMn2O4. من حيث التوافق الكلي لبطاريات الطاقة، فإن بطاريات الليثيوم الثلاثية وبطاريات LiFePO4 هي المسيطرة على السوق. بالطبع، هناك مادة كاثود أخرى جديرة بالملاحظة في مجال بطاريات الطاقة وهي NCA (النيكل-الكوبالت-الألومنيوم) (8:1.5:0.5)، والتي تتميز بكثافة طاقة عالية جدًا للخلية الواحدة، ولكنها أيضًا تمتلك حاجز دخول مرتفع للغاية.

ثانياً. البطاريات الاستهلاكية

تُعد بطاريات المستهلكين مجال تطبيق آخر مهم لبطاريات الليثيوم-أيون. وتُستخدم بطاريات الليثيوم-أيون للمستهلكين بشكل رئيسي في المنتجات الإلكترونية الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والكاميرات الرقمية، وكاميرات الفيديو الرقمية، وبنوك الطاقة، والأجهزة الكهربائية للأطفال—ما يُعرف بـ"منتجات 3C"—في خلايا وبطاقات بطاريات الليثيوم. وتنقسم هذه البطاريات بشكل أساسي إلى أنواع أسطوانية، ومستطيلة (بريزماتيك)، ورقائقية (بالتغليف اللدن). وتتميز البطاريات الليثيومية الأسطوانية بقطر أكبر، ما يحد من نحافة المنتجات الإلكترونية النهائية؛ في حين أن التصميم الشكلي للبطاريات الليثيومية المستطيلة يكون ثابتًا نسبيًا ويصعب جعلها رقيقة. ولذلك، لا يمكن لأي من هذين النوعين من البطاريات الليثيومية تلبية متطلبات بعض المنتجات الإلكترونية الاستهلاكية من حيث الرقة، والخفة، والحجم القابل للتغيير. أما بطاريات الليثيوم البوليمرية الرقائقية فتستخدم غشاءً بلاستيكيًا ألومنيوميًا كغلاف، مما يجعلها خفيفة الوزن، وآمنة، وتوفر خيارات تصميم أكثر مرونة وكثافة طاقة أعلى، ما يجعلها أكثر ملاءمة لمتطلبات المنتجات الإلكترونية الاستهلاكية من حيث البطاريات الرقيقة، والخفيفة، والقابلة للتغير في الحجم، والآمنة. وبالتالي، فإن بطاريات الليثيوم البوليمرية الرقائقية هي حاليًا النوع الأكثر شيوعًا من بطاريات الليثيوم للمستهلكين. وقد نضج قطاع بطاريات المستهلكين، وطلب السوق الكلي مستقر نسبيًا.

1. ميزات المنتج:

تحتوي بطاريات الليثيوم-أيون الاستهلاكية على ظروف استخدام أقل صرامة ولا تتطلب موثوقية طويلة الأمد. وعادةً ما تُستخدم بشكل منفرد ولا تحتاج إلى التوافق مع بطاريات أخرى، وبالتالي فإن متطلبات التناسق ليست عالية جدًا. ومع ذلك، نظرًا لضيق المساحة وقيمة المنتجات الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية، فإن البطاريات الاستهلاكية تضع متطلبات صارمة فيما يخص الحجم والسعة وكثافة الطاقة. وتستخدم البطاريات الاستهلاكية الرائدة أكثر التقنيات والمواد تقدمًا، في حين تتطلب البطاريات الكهربائية تحكمًا أكثر تطورًا في العمليات، والتناسق، وإدارة الجودة. كما أن متطلبات عمر الدورة للمنتجات الاستهلاكية ليست طويلة مثل تلك الخاصة بالبطاريات الكهربائية أو تخزين الطاقة. على سبيل المثال، بعد استخدام لمدة 2-3 سنوات، نلاحظ أن سعة بطارية الهاتف قد انخفضت إلى 80٪، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن معظم الهواتف تُشحن مرة أو مرتين يوميًا. وهذا يعني أن سعة الهاتف تنخفض إلى أقل من 80٪ خلال أقل من 3 سنوات، وفي هذه المرحلة يجب استبدال البطارية أو الهاتف نفسه.

2. نوع القطب الموجب:

ما زال أكسيد الليثيوم الكوبالت (LCO) يهيمن على سوق بطاريات المستهلكين. وعلى الرغم من أن مادة NCM الثلاثية (أكسيد غير الليثيوم الكوبالت) توفر سعة كهربائية نوعية عالية، إلا أنها لا تُحل محل LCO بسهولة بسبب إنتاجها للغازات عند الفولتية العالية. وعلى الرغم من أن مواد الكاثود من LCO تمتلك عيوبًا مثل التكلفة العالية (بسبب ارتفاع ثمن الكوبالت)، وأداء دورة ضعيف، وانخفاض مستوى السلامة، فإن كثافتها التعبئية العالية وفولطيتها التشغيلية العالية ما زالت تمنحها ميزة في المنتجات الإلكترونية فائقة النحافة. ويظل الطلب مستقرًا في الهواتف الذكية متوسطة إلى عالية المستوى، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والأجهزة اللوحية. علاوةً على ذلك، فإن زيادة سعة البطارية في هواتف الجيل الخامس (5G) وظهور إلكترونيات مستهلكة جديدة مثل الطائرات المُسيرة، وسماعات الأذن TWS، والسجائر الإلكترونية، يُسهم جميعه في دفع الطلب على مواد كاثود LCO. ويتفوق LCO بأعلى كثافة تعبئة، مما يؤدي إلى أعلى كثافة طاقة حجمية ضمن الحجم المحدود للأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. وتُعد الكثافة التعبئية الممتازة، وكثافة الطاقة الحجمية، وأداء الدورة، وأداء درجات الحرارة العالية/المنخفضة، إلى جانب القدرة على زيادة كثافة الطاقة لـ LCO أكثر من خلال رفع جهد قطع الشحن، العوامل التي تجعل مواد LCO عالية الفولتية وعالية التناقص الاتجاه المستقبلي.

ثالثاً: بطاريات تخزين الطاقة

تشير بطاريات تخزين الطاقة إلى البطاريات التي تُخزن الطاقة الكهربائية، وتحولها إلى طاقة كيميائية. حاليًا، يتركز سوق بطاريات تخزين الطاقة في مجالين رئيسيين للتطبيق: تخزين الطاقة الكهربائية والتخزين المنزلي للطاقة. تعد بطاريات تخزين الطاقة الكهربائية تقنية لتخزين الطاقة الكهربائية في جوهرها، وهي التقنية الخاصة بتخزين الطاقة الكهربائية. وتشمل سيناريوهات الاستخدام التخزين بالضخ والتفريغ (مثل الخزانات المائية)، وتخزين البطاريات، والتخزين الميكانيكي، وتخزين الهواء المضغوط، والتي يمكن تطبيقها في مختلف المجالات الصناعية. أما بطاريات التخزين المنزلي للطاقة فتكون عادة موجهة للاستخدام الخارجي؛ على سبيل المثال، أثناء انقطاع التيار الكهربائي في المنزل أو عند التخييم، حيث تكون هناك حاجة لبطارية تخزين طاقة عالية السعة وطويلة الأمد لتلبية الاحتياجات غير المتوقعة.

1. ميزات المنتج:

تتمتع بطاريات الليثيوم للتخزين الطاقي باحتياجات أعلى فيما يتعلق بالعمر الافتراضي. فعمر مركبات الطاقة الجديدة يتراوح عمومًا بين 5 إلى 8 سنوات، في حين تسعى مشاريع التخزين الطاقي عادةً إلى عمر افتراضي يتجاوز 10 سنوات. وعدد دورات الشحن والتفريغ لبطاريات الليثيوم الكهربائية هو من 1000 إلى 2000 دورة، بينما تتطلب بطاريات التخزين الطاقي عمومًا عدد دورات يفوق 5000 دورة. ويرجع ذلك إلى أن بطاريات التخزين لا تعطي أولوية لكثافة الطاقة الحجمية أو كثافة الطاقة الجماعية، بل تركز أكثر على السلامة والتكلفة. ومن منظور الخصائص المتأصلة للمواد، فإن فوسفات الليثيوم الحديدي يتمتع باستقرار حراري أفضل وتكلفة مادية أقل مقارنة ببطاريات الليثيوم الثلاثية، كما أن عمره الدوروي قد بلغ بالفعل ما يقارب 10000 دورة، وبالتالي أصبح استخدامه في السوق العالمية للتخزين الطاقي أكثر انتشارًا بشكل متزايد.

2. نوع القطب الموجب:

توجد بعض الاختلافات بين بطاريات الليثيوم للطاقة وبطاريات الليثيوم لتخزين الطاقة، ولكن من منظور الخلية نفسها، يمكن كلا النوعين على ما يبدو استخدام بطاريات فوسفات الليثيوم الحديدي (LFP) وبطاريات الليثيوم الثلاثية. ومع ذلك، في تطبيقات التخزين، تُستخدم بطاريات LFP بشكل شبه حصري. ويرجع ذلك أساسًا إلى وقوع حوادث أمان متكررة في محطات تخزين الطاقة. فبطاريات الليثيوم المخصصة للتخزين لا تتطلب كثافة طاقة عالية، بل تتطلب درجة أمان عالية، لأن أنظمة التخزين الكهروكيميائية تحتوي على مئات إلى عشرات الآلاف من البطاريات. وبمجرد اندلاع حريق وانتشاره، تصبح الحالة صعبة للغاية في التعامل معها. وفي 29 يونيو 2022، أصدرت إدارة الطاقة الوطنية رأيًا استشاريًا حول "العشرين متطلبًا رئيسيًا لمنع الحوادث في إنتاج الطاقة الكهربائية"، نصّت فيه على أن محطات التخزين الكهروكيميائية الكبيرة يجب ألا تستخدم بطاريات الليثيوم الثلاثية أو بطاريات الصوديوم-كبريت، وألا تستخدم بطاريات طاقة معاد تدويرها. وبالتالي، تُصنع بطاريات التخزين بشكل أساسي من تقنية LFP.

ملخص:

استقر سوق بطاريات المستهلكين إلى حد كبير، مع تركيز الأبحاث والتطوير على تحقيق كثافة طاقة حجمية أعلى وسعة أكبر. وقد ترسخ حصة السوق للبطاريات الكهربائية الرائدة إلى حد كبير، مع استمرار إعادة هيكلة جزء صغير منها. وحاليًا، ينصب التركيز الرئيسي للبطاريات الكهربائية على تمديد مدى القيادة وزيادة سرعة الشحن. كما لم تشهد بطاريات التخزين الطاقي أي تطورات جديدة كبيرة، حيث تركز بشكل رئيسي على السعات الضخمة جدًا، من 280 أمبير في الساعة إلى 314 أمبير في الساعة، والآن إلى 587 أمبير في الساعة من CATL وHaichen، أو 684 أمبير في الساعة من Sungrow.