تُستخدم بطاريات الطاقة كمصدر للطاقة لمركبات الطاقة الجديدة (المركبات الكهربائية). وينقسم نظام بطاريات الطاقة عمومًا إلى ثلاثة مستويات: حزمة البطاريات، والوحدات، والخلايا.

1. حزمة البطارية

تتكون حزمة البطارية عادةً من وحدات البطارية، ونظام إدارة حرارية، ونظام إدارة البطارية (BMS)، وأنظمة كهربائية، ومكونات هيكلية.

يمكن فهم وحدة البطارية على أنها منتج وسيط بين الخلايا وحزمة البطاريات، وتتكون من خلال دمج خلايا أيونات الليثيوم في تكوينات متسلسلة ومتوازية، وإضافة أجهزة مراقبة وإدارة فردية لكل خلية. يجب أن يدعم هيكلها الخلايا ويثبتها ويحميها.

تشمل مكوناته الأساسية ما يلي:

• وحدة التحكم: يشار إليها غالبًا باسم لوحة BMS التابعة.
• خلايا البطارية
• موصلات موصلة
• إطار بلاستيكي
• لوحة التبريد وأنابيب التبريد
• الصفائح الطرفية والمثبتات: تجمع الصفائح الطرفية الموجودة على كلا الطرفين الخلايا الفردية معًا وتوفر قدرًا معينًا من الضغط. كما أنها مصممة في كثير من الأحيان لتثبيت الوحدة في حزمة البطارية.

إن الغرض من تصميم الوحدة هو تسهيل إدارة الخلايا بواسطة نظام إدارة البطارية، وتحسين سلامة البطارية، وتسهيل الصيانة والإصلاح - تمامًا مثل تقسيم بلد إلى عدة مقاطعات لتسهيل الحكم.

3. الخلية
تتكون الخلية بشكل أساسي من قطب موجب (كاثود)، وقطب سالب (أنود)، وفاصل، ومحلول إلكتروليتي. ويعتمد مبدأ عملها الأساسي على انتقال أيونات الليثيوم بين القطبين الموجب والسالب لتحقيق الشحن والتفريغ.

• عملية الشحن: تتطلب طاقة خارجية (كهرباء الشبكة) لتخزين الطاقة الكهربائية في البطارية.
• عملية التفريغ: تحدث تلقائياً، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة المخزنة.

تصنف بطاريات الليثيوم أيون للسيارات الكهربائية بشكل أساسي إلى ثلاث فئات بناءً على أنظمة المواد الخاصة بها: أكسيد الليثيوم والمنغنيز (LMO)، والمواد الثلاثية (NCM/NCA)، وفوسفات الحديد الليثيوم (LFP).

تُعد السلامة والاستقرار والأداء في درجات الحرارة المنخفضة مؤشرات حاسمة للتقييم الشامل لأداء بطاريات الليثيوم أيون.

• أكسيد الليثيوم والمنغنيز (LMO)

يُظهر مركب LMO أداءً ضعيفًا في درجات الحرارة العالية، وثباتًا ضعيفًا في دورات الشحن والتفريغ، وخصائص تخزين سيئة. يميل المنغنيز إلى الذوبان/التفكك عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يؤدي إلى قصر عمر البطارية وقصر مدة صلاحيتها.

• بطاريات الليثيوم أيون ثلاثية المواد (NCM/NCA)

توفر البطاريات الثلاثية أداءً متوازنًا في درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة، ودورات الشحن والتفريغ، والسلامة، والتخزين، ومختلف المعايير الكهربائية. وتتميز بكثافة طاقة حجمية عالية، وتكاليف مواد معقولة، وأداء مستقر. وبحسب نسبة النيكل والكوبالت والمنغنيز، تشمل أنظمة الخلايا الثلاثية سلاسل مثل NCM532 وNCM811. وقد اكتسب نظام 811 رواجًا كبيرًا في السنوات الأخيرة. فزيادة نسبة النيكل تزيد من كثافة طاقة البطارية، ولكنها في المقابل تجعلها أقل استقرارًا. لذا، يُعد تصميم البطاريات عملية موازنة مستمرة بين الجدوى العملية والسلامة.

• فوسفات الحديد الليثيوم (LFP)

يتم تصنيع القطب الموجب لبطارية الليثيوم عن طريق طلاء المادة النشطة الموجبة (مثل LFP أو NCM) على رقائق الألومنيوم (جامع التيار)، بينما يتم تصنيع القطب السالب عن طريق طلاء المادة النشطة السالبة (مثل الجرافيت أو LTO) على رقائق النحاس (جامع التيار).

تُسمى البطاريات عادةً نسبةً إلى مادة قطبها الموجب، ولذلك تُعرف عادةً باسم البطاريات الثلاثية أو بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم. إلا أن بطاريات تيتانات الليثيوم (LTO) تُعد استثناءً، حيث أن مادة القطب السالب هي LTO، مما يجعلها حالةً فريدةً من نوعها لبطارية سُميت نسبةً إلى مادة قطبها السالب.

عند مراجعة الأدبيات الأجنبية، من الشائع أن نجد مؤلفين يشيرون إلى مادة القطب الموجب باسم الكاثود، ومادة القطب السالب باسم الأنود. قد يكون هذا الأمر مُربكًا في البداية، إذ يُعرّف علم الكيمياء الكهربائية القياسي القطب الذي يحدث فيه الاختزال بالكاثود، والقطب الذي يحدث فيه الأكسدة بالأنود، ما يعني أن التسمية ستنعكس عند انتقال البطارية بين وضعَي الشحن والتفريغ. مع مرور الوقت، يتضح أن هذا التعريف يعتمد على حالة البطارية دون تأثير طاقة خارجية؛ وبالتالي، فإن الكاثود والأنود في البطارية يتحددان تحديدًا بحالات التفاعل أثناء التفريغ.

تحليل تدهور البطارية
يمكن تحليل تدهور البطارية من بعدين أساسيين: تدهور الأداء وتدهور السلامة.

1) تدهور الأداء: بعد فترة معينة من الاستخدام، تشهد المركبات الكهربائية انخفاضًا في مدى القيادة، وقد يُلاحظ أيضًا تراجع في أداء التسارع. ويمكن تحليل ذلك بشكل أساسي من خلال انخفاض السعة، وزيادة المقاومة الداخلية، وارتفاع معدلات التفريغ الذاتي.

٢) تدهور السلامة: يُعدّ اكتشاف تدهور السلامة أكثر صعوبة نسبيًا. فقد تكون البطارية قد تعرضت بالفعل لتشوه فيزيائي/ميكانيكي، أو ازداد احتمال حدوث قصر داخلي، أو قد يكون هناك خطر تسرب الإلكتروليت. لذلك، لفهم عملية تدهور البطارية فهمًا كاملًا، تتضمن الخطوات التالية التحقق من العوامل التي تُحفّز انخفاض السعة، والعوامل التي تُؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية، وكيفية حدوث تشوه البطارية، والآليات التي تُؤدي إلى حدوث قصر داخلي.

السلامة المقارنة واتجاهات السوق
من حيث السلامة، تتفوق بطاريات أكسيد الليثيوم والمنغنيز (LMO) بشكل ملحوظ على البطاريات الثلاثية. فعلى سبيل المثال، يستخدم بعض المصنّعين المحليين حاليًا مادة LMO المُعدّلة من شركة Xinzheng (LMA-30) لإنتاج خلايا مفردة بسعة 90 أمبير/ساعة، والتي تجتاز جميعها مجموعة اختبارات السلامة الكاملة في معهد 201. في المقابل، بالنسبة للمواد الثلاثية، قد تواجه حتى الخلايا المفردة بسعة 20 أمبير/ساعة المصنّعة محليًا صعوبة في اجتياز اختبار اختراق المسمار. ويعود هذا التباين بشكل أساسي إلى الاستقرار البنيوي للمواد؛ فالبنية البلورية لمادة LMO أكثر استقرارًا بطبيعتها من تلك الموجودة في المواد الثلاثية.

علاوة على ذلك، خضعت مواد LMO لفترة تطوير أطول، وتتمتع بمستوى نضج تقني أعلى بكثير. يستخدم LMA-30 المذكور آنفًا تطعيم/تعديل الألومنيوم (Al) لتحسين LMO؛ ولا يُستبعد طرح خيارات ثلاثية معدلة مماثلة في المستقبل. إضافةً إلى ذلك، ونظرًا لمشاكل توافق الإلكتروليت، فإن المواد الثلاثية أكثر عرضةً لتوليد الغازات (التغويز) مقارنةً بـ LMO، وهو سبب آخر لانخفاض مستوى أمان البطاريات الثلاثية مقارنةً بـ LMO.

مع ذلك، فإن كثافة الطاقة للمواد الثلاثية أعلى بكثير من كثافة طاقة أكسيد الليثيوم والمنغنيز (LMO). ونتيجةً لذلك، فإن معظم منتجات بطاريات الطاقة المتطورة حاليًا، والمصنعة في اليابان وكوريا الجنوبية، تعتمد بشكل أساسي على أكسيد الليثيوم والمنغنيز ممزوجًا بنسبة معينة من المواد الثلاثية. يضمن هذا النهج السلامة مع تعزيز كثافة الطاقة في الوقت نفسه، مما يمثل اتجاهًا رئيسيًا لتطوير بطاريات الطاقة للسيارات الكهربائية مستقبلًا.

بنية الخلية

تُصنف الخلايا إلى ثلاثة أنواع بناءً على تصميمها الهيكلي: أسطوانية، وجيبية، ومنشورية.

1. الخلايا المنشورية: نظرًا لسهولة التصنيع وكفاءة المساحة، فإن الخلايا المنشورية هي الخيار السائد حاليًا للسيارات الكهربائية في الصين.
2. الخلايا الأسطوانية: تتميز بمعايير عالية. تشمل النماذج الشائعة 14650 و14500 و18650 و21700. يمثل الرقمان الأولان القطر (مم)، ويمثل الرقمان الثالث والرابع الارتفاع (مم)، ويشير الرقم "0" إلى الشكل الأسطواني. تستخدم تسلا حاليًا خلايا 18650 و21700، بينما تدخل خلايا 4680 الأكبر حجمًا حيز الاستخدام الواسع. تشمل المكونات النموذجية الألواح الموجبة والسالبة، والفاصل، والإلكتروليت، والغلاف، والغطاء (الطرف الموجب)، والحشية، وصمام الأمان.
3. خلايا الكيس: مغلفة بغشاء من الألومنيوم والبلاستيك، مما يوفر مرونة عالية في التصميم.

4. نظام إدارة البطارية (BMS)
أنظمة إدارة البطاريات لبطاريات الليثيوم أيون نظام إدارة البطارية (BMS) هو نظام تحكم ومراقبة مصمم لإدارة أداء البطارية وسلامتها. من خلال جمع وحساب المعايير الأساسية مثل الجهد والتيار ودرجة الحرارة وحالة الشحن (SOC)، ينظم نظام إدارة البطارية عمليات الشحن والتفريغ، ويحمي البطارية من ظروف التشغيل غير الطبيعية، وبالتالي يعزز أداء البطارية بشكل عام وعمرها الافتراضي. كما أنه يمثل حلقة وصل حيوية للاتصال والتحكم بين بطارية الجر الموجودة في السيارة الكهربائية والمركبة الكهربائية.

ثلاث وظائف أساسية لنظام إدارة المباني:

1. تقدير حالة الشحن (SOC): يقيس الطاقة المتبقية لتزويد السائقين بمقاييس دقيقة للمدى وتذكيرات الشحن.
2. إدارة الحرارة: تراقب درجات حرارة التشغيل وتنشط أنظمة التبريد (المراوح أو ألواح التبريد) للحفاظ على البطارية ضمن نطاق درجة الحرارة الأمثل.
3. موازنة البطارية: تعمل على تصحيح اختلافات الجهد والسعة الناتجة عن تفاوتات التصنيع أو تبديد الحرارة غير المتساوي، مما يمنع الخلايا الفردية من الشحن الزائد.

يُحدد تحليل المخاطر أثناء تطوير نظام إدارة البطاريات مخاطر مثل زيادة الجهد (الشحن الزائد)، وانخفاض الجهد، وارتفاع درجة الحرارة، وزيادة التيار. يُعد الشحن الزائد على المدى الطويل خطيرًا للغاية، إذ يُسبب تلفًا لا يُمكن إصلاحه، أو تشوهًا، أو تسريبًا. يجب أن تكتشف آلية السلامة الشحن الزائد فورًا وتُخفف من حدة الأعطال الفردية أو الكامنة.

5. اتجاهات تطوير البطاريات

5.1 بطاريات خالية من الكوبالت
تتطلب بطاريات الليثيوم الثلاثية الكوبالت لتحقيق استقرار بنيتها الطبقية وتحسين عمرها الافتراضي. مع ذلك، تشهد أسعار الكوبالت تقلبات حادة، ويتركز أكثر من نصف الإمدادات العالمية في جمهورية الكونغو الديمقراطية، مما يجعل سلسلة التوريد عرضة بشدة للاضطرابات الجيوسياسية والجائحة. ويؤدي التخلص من الكوبالت أو تقليله إلى خفض تكاليف المركبات وتخفيف مخاطر سلسلة التوريد.

• المزايا: تتميز الإلكتروليتات الصلبة بنطاق استقرار كهروكيميائي واسع، مما يتيح استخدام مواد الكاثود عالية الجهد وأقطاب الليثيوم المعدنية عالية السعة، وبالتالي زيادة كثافة الطاقة بشكل كبير. كما أن قوتها الميكانيكية العالية تمنع بشكل فعال اختراق التشعبات الليثيومية، مما يحول دون حدوث دوائر قصر.
• التحدي الحالي: مقاومة عالية للغاية بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت.

بطاريات 5.3 Blade
ابتكرت شركة BYD بطارية Blade Battery، التي تستخدم خلايا طويلة ورفيعة (طولها 960 مم، وسمكها 13.5 مم، وارتفاعها 90 مم) تشبه الشفرات، وتعتمد على طريقة تكديس داخلية بدلاً من اللف التقليدي. وبفضل استخدام مواد لاصقة هيكلية لتثبيت الخلايا بين طبقتين من صفائح الألومنيوم، تعمل الخلايا نفسها كعناصر هيكلية. يحاكي هذا التصميم ألواح الألومنيوم ذات الشكل السداسي، مما يلغي الحاجة إلى الوحدات النمطية تمامًا لتقليل الوزن والتكاليف، وتحقيق أقصى استفادة من المساحة.

• التحدي: العملية معقدة. فارتفاع معدلات الرفض أثناء عملية التقطيع، وصعوبة الحفاظ على اتساق الحواف والنتوءات، ومتطلبات دقة المحاذاة، كلها عوامل تُشكل عقبات تصنيعية كبيرة. وهذا هو السبب الرئيسي وراء عدم هيمنة البطاريات المكدسة على السوق العالمية حتى الآن على حساب البطاريات الملفوفة التقليدية.

• المسار 1: خالٍ تمامًا من الوحدات (على سبيل المثال، بطارية BYD Blade).
• المسار الثاني: دمج الوحدات الصغيرة في وحدات عملاقة (على سبيل المثال، CATL CTP).

نظام CTC (من الخلية إلى الهيكل): يمثل هذا النظام تطورًا جديدًا يتجاوز نظام CTP. فهو يدمج خلايا البطارية مباشرةً في هيكل السيارة، مما يجعل غطاء البطارية يندمج بسلاسة مع أرضية السيارة. ويمكن تركيب المقاعد مباشرةً على حزمة البطارية. يتجاوز نظام CTC حدود حزم البطاريات التقليدية، مما يتيح دمجًا عميقًا للخلايا والهيكل والمحرك وأنظمة التحكم الإلكترونية وأنظمة التيار المستمر/المستمر لتحسين استخدام المساحة، وتقليل استهلاك الطاقة، وجعل تكاليف إنتاج السيارات الكهربائية منافسة مباشرة لتكاليف إنتاج سيارات محركات الاحتراق الداخلي.

شركة أيسي للطاقة الجديدة توفر معدات تصنيع متكاملة وحلول هندسية شاملة لـ خطوط تجميع حزم بطاريات الليثيوم أيون ، وتغطي العملية بأكملها من الخلية إلى العبوة.

نقدم الدعم لعملائنا بدءًا من التخطيط الأولي للمصنع وحتى الإنتاج النهائي، ونوفر خدمات شاملة تتضمن تحسين تخطيط خطوط الإنتاج وتكامل المعدات. تكديس الوحدات ، اللحام بالليزر الدقيق، وتكامل نظام إدارة المباني، واختبار أداء العبوة النهائي.

تُعطي أنظمتنا الأولوية للجدوى الهيكلية والاستقرار التشغيلي وسهولة الصيانة. وباستخدام معدات موحدة ذات تكوينات مرنة وقابلة للتعديل، فإننا نُمكّن المصنّعين من تقليل أوقات الإعداد، والحد من مخاطر الإنتاج، وتحسين اتساق المنتج من الخلية إلى العبوة بشكل ملحوظ.

ترحب شركة ACEY بالشركاء العالميين وتتطلع إلى إقامة تعاون موثوق وطويل الأمد في مشاريع تصنيع حزم البطاريات.