الإكتفاء والقدرة والسعر ووقت الشحن معايير تحتاج إلى معالجة . "لي- إيون" الكثيفة الطاقة ... بطارية المستقبل في السيارة الكهربائية

إذا كانت بطّارية الليثيوم - إيون الأكثر تميزاً حالياً بين منافساتها، فعليها أن تتخلّص من ستّة تحديات لفرض ذاتها في حقل صناعة السيارات الكهربائية أو الهجينة، ويعود السبب في ذلك إلى تعدّد منافساتها نظراً لغياب البطّاريّة المثالية حتّى الآن. وتتضمّن السيّارة التقليديّة محرّكاً معقداً جداً وخزّاناً بسيطاً جداً. أمّا السيّارة الكهربائيّة فهي على العكس تماماً. في الواقع، إذا كان المرء يجيد صنع محرّكات كهربائيّة ذات أداء مرتفع منذ أكثر من مئة عام، فالبطّاريّة الجيّدة - والتي تدوم طويلاً، والخفيفة الوزن والبخسة - لا تزال مجرّد خيال. ونظراً لغياب منتج مميّز، يواجه الباحثون"مرشّحا"ً مهماً: انّه بطارية الليثيوم - إيون أو اللي - إيون.
يذكر أن الليثيوم يستخرج من الأملاح المتوافرة في البحيرات المالحة على غرار سالار دو أيوني في بوليفيا.
مجلة"سيانس أي في العلم والحياة"الفرنسية المتخصصة نشرت في عددها الأخير تحقيقاً دقيقاً ومفصلاً.
عام 1970، قدّم العالم الكيميائي الأميركي ستانلي ويتّينغهام هذه البطّاريّة، وتعود أهمّيّتها إلى الليثيوم وهو عنصر مدمّج يتيح تخزين كمّيّة هائلة من الشحنات، تكون على شكل إيونات ليثيوم وتخزّن على الأقطاب. أمّا بالنسبة للجوانب الأخرى، فعمل هذه البطّاريّة مماثل لعمل البطّاريّات الأخرى: فبعد أن يُطلق إلكترون مولّد للتيّار الكهربائي، تخترق إيونات الليثيوم المخزّنة على القطب السالب من الغرافيت حاجز البطّاريّة المركزي، أي المحلّل الكهربائي، وتلتصق بالقطب الموجب المكوّن من ثاني أوكسيد الكوبلت.
أمّا اليوم، فما من شيء يضاهي بطّاريّة الليثيوم-إيون أهمية: اذ تتميّز بكثافة طاقة أي نسبة الطاقة/الوزن تتراوح بين 160وات/كلغ و200وات/كلغ، أي بنسبة تفوق ستّة أضعاف كثافة الرصاص، وأربعة أضعاف كثافة النيكل-كادميوم، وضعفين ونصف الضعف كثافة النيكل ميتال هيدرور. ولكنّ هذه النسبة لا تزال بعيدة كلّ البعد عن ال10آلاف وات/كلغ التي يتميّز بها الوقود السائل! وبالتالي، فإنّ زيادة الكثافة ستكون بمثابة التحدّي العلمي الأوّل.
بيدَ أنّ هذا التحدّي ليس بوحيد. ففي حين يتلاءم عمر البطّاريّات الكهربائيّة حاليّاً مع عمر السيّارات، لا تزال تستغرق عمليّة الشحن وقتاً طويلاً: فتتراوح بين ستّ وثماني ساعات! من هنا ضرورة تقليص هذا الوقت. وإضافة إلى ذلك، ثمّة عقبة أخرى مهمّة تتمثّل في قابليّة الليثيوم على إحداث انقطاع في التيّار من شأنه أن يولّد إنفجاراً. وبعد حلّ هذه المشاكل، من الضروري ايجاد الموادّ الأوّليّة الضروريّة لإنتاج الكتلة وذلك مع أخذ الليثيوم في الاعتبار. ومن ثمّ خفض الأسعار لتصبح السيّارات تنافسيّة، لأنّ سعر البطّاريّة الكهربائيّة يبلغ حاليّاً 500يورو على الأقلّ، أي ما يفوق بثلاثة أضعاف كلفة دفتر الشروط المتعلّق بصانعي السيّارات. لكن هل يمكن مواجهة هذه التحدّيّات؟ كلاّ، لأنّه وفقاً لإختصاصي بطّاريّات في جامعة أميان ميشال أرمان "ينصهر الليثيوم مع مختلف المعادن الأخرى. وبالتالي، ثمّة عدد لا يستهان به من الأقطاب التي تفوق أقطاب الغرافيت والكوبلت جودة. بيد أنّه لن تحصل أيّ معجزة في هذا الشأن".
ويفيد إختصاصي بطّاريّات في"مفوّضيّة الطاقة الذرية"سيباستيان مارتينه :"يجب زيادة القدرة لتقليص وقت الشحن، ما يحدّ من كثافة الطاقة، لأنّه في حال تعيّن على إيونات لي+ ليثيوم اختراق القطب بسرعة، لن تكون حينئذٍ عديدة".
الإكتفاء، والقدرة، ووقت الشحن والسعر، معايير على الباحثين التداول بها، ولكنّها مسلّمة اذ انّ البطّاريّة التي ستأخذ مكانها في السيّارة الكهربائيّة ستكون على أيّ حال أمراً متّفقاً عليه.
تحسين كثافة الطاقة
يعتمد اكتفاء السيّارة الكهربائيّة على كثافة الطاقة المرتبطة بدورها بالمعادن المستخدمة وبقدرتها على احتواء أكبر قدر ممكن من إيونات الليثيوم بحسب كميّة الكتلة.
وبفضل قطب موجب من أوكسيد المانغانيز وحتّى وكسيد النيكل LiMnO2,LiNio2، قد يكون لتقنيّات أخرى أداء أفضل من أداء بطّاريّة اللي-إيون ومن كثافة طاقتها البالغة200وات/كلغ.
ويؤكّد مارتينه:"تزيد هذه العناصر من استقرار القطب وتتيح الحصول على كثافات طاقة أكثر ارتفاعاً. وفي الوقت الحاضر، نحن أمام مئة دورة شحن تبلغ 250وات/كلغ، وبحلول خمس أو سبع سنوات يمكننا بلوغ 350 وات/كلغ!".
بيدَ أنّ قطب الليثيوم- كبريت قد يبلغ كثافة نسبتها 500 وات/كلغ لكن في مقابل استقرار ضعيف. فقد يحدث انحلال داخل المحلّل الكهربائي، وبالتالي لا يمكن استخدام البطّاريّة بعد مئة دورة شحن... هل سيرتكز الأمل على المدى البعيد على قطب موجب عصري: الهواء المحيط؟ في الواقع، ما إن ترحل إيونات لي+ عن القطب السالب حتّى تخترق المحلّل الكهربائي وبمجرّد تعرّضها للهواء، تشكّل ما يعرف بالأوكسيد.
وفي هذه الحالة، ومن الناحية النظريّة، ستبلغ الكثافة 1000وات/كلغ. ولكنّ المشكلة تكمن وراء رفض هذه البطّاريّة العظيمة لأن تفرغ من الشحنات الكهربائيّة: اذ يبقى أوكسيد الليثيوم مستقراً في حين ترفض الإيونات أن تغادر. ويشار إلى أنّ ثمّة حلّ أخير: وهو من طريق قطب متناهي الصغر مكوّن من أوكسيد المانغانيز، يكون له الفضل في جعل الليثيوم أقلّ استقراراً وذلك مع حبس الأوكسيجين.
يقدّر صانعو البطّاريّات حاليّاً الوقت الذي تستغرقه عمليّة الشحن بين خمس وثماني ساعات: ثماني ساعات مع مقبض تقليدي قدرة 16 أمبير، وخمس ساعاتٍ مع مقبض قدرة 32 أمبير مخصّص لتغذية أجهزة الطبخ. وفي الواقع، كلّما كثرت الإلكترونات كلّما نقلت الشحنات في سرعة أكبر. ومع تيّار قدرة 200 أمبير، سيكون ممكناً من حيث المبدأ إعادة شحن سيّارة من نوع بو، أي بولّوري، في أقلّ من ساعة. ولكنّ ذلك سيتمّ على حساب عمر البطّاريّات، لأنّه في حالة مماثلة من اعادة الشحن السريع، تصل إيونات لي+ بكثرة إلى القطب السالب، وبالتالي لن تملك الوقت الكافي لاسترجاع مكانها بين جوانب الغرافيت، وستستقرّ على السطح. ونتيجة لذلك، تشكّل هذه الايونات طبقة من الليثيوم المعدني الذي يخفّض قدرة البطّاريّة. وعلى هذا النحو، ينبغي ايجاد شدّة التيّار المناسبة، وهي تلك التي تتيح إعادة الشحن الأسرع من دون إلحاق الضرر بالبطّاريّة. ولذلك، ما من حلّ أنسب من التحسّس، والإمكانيّات في هذه الحالة عديدة، منها: إعادة الشحن بتيّار ثابت، وبمحامل شدّة، وبدفعات. بيد أنّ كلّ ذلك يعتمد على تقنيّة البطّاريّة. ووفقاً لمدير قسم النقل والسيّارة الكهربائيّة سيدريك لواندوسكي، تبذل شركة كهرباء فرنسا ما في وسعها لحلّ مشكلة صعبة وايجاد هدف من خلال ذلك، يتلخّص ب"شحن البطّاريّة بنسبة 50 في المئة في غضون نصف ساعة. لقد أجرينا أوّل اختبارٍ بالغ الأهمية عن بطّاريّات الليثيوم- كوبلت. لم نحصل بعد على النتائج النهائيّة ولكن ما نعرفه حتّى اللحظة لأمر مشجّع". لكن الحلّ الوحيد لتقليص وقت الشحن إلى الدقيقة الواحدة هو شحن قطب الغرافيت السالب. وللقيام بذلك، ثمّة مرشحّة تبدو واعدة بحدّ ذاتها، وهي مكوّنة من أوكسيد التيتان، معدن تتيح تركيبته إندماج إيونات لي+ في شكل أفضل. ونتيجة لذلك، تكفي دقيقتان أو ثلاث لإعادة الشحن بنسبة 100 في المئة! غير أنّ خصائص الشحن تكون فارغة على البطّاريّات. فهذا القطب يلبّي نداءات القدرة وهذه ميزة إضافيّة. ونقطة الضعف الوحيدة هي أنّ كثافة الطاقة لا تتخطّى 130وات/ كلغ.
دعم الأمان والحفاظ على السرعة
الليثيوم عدائي إذ باستطاعته قرض المحلّل الكهربائي والتسبّب أخيراً، بربطه القطبين ببعضهما بعضاً، بانقطاعٍ في التيّار مع خطر اندلاع حريق أو انفجار. ما العمل لتجنّب ذلك؟ حصر الليثيوم بين صفحات أحد قطبي الغرافيت الرقيقة. غير أنّ بطّاريّة الليثيوم لا تزال خطرة من حيث إحداث حرائق غير مقبولة في السيّارات، على رغم أنّها تناسب أجهزة الهاتف والكمبيوتر. لذا يضع المصنّعون حواجز أمان. وفضلاً عن الفواصل بين القطبين، صفّحت البطّاريّات بلواقط تراقب الجهد والحرارة، وبصهيراتٍ وبقاطعات تيّار أخرى. بيد أنّ ذلك يؤدّي إلى تطوير باهظ الثمن، وبناء عليه اختار فريق بولّوري حلاً آخر هو بطارية"الليثيوم- بوليمير". وطورت شركة الكهرباء الكنديّة هيدرو- كيبيك هذه التقنيّة في التسعينات، علماً أنّ"باتسكاب"التابع ل"بولّوري"أعاد شراء الإجازات"ويتلخّص مبدأه ب: تجنّب انقطاعات التيّار بواسطة محلّل كهربائي صلب مصنوع من البوليمير. وبالتالي ما من احتمال لإختراق جزيئات المعدن المحلّل الكهربائي لتشكّل جسراً بين القطبين. وتثير هذه البطّاريّة الآمنة ذات الكلفة المنخفضة إعجاب كثر تعتبر بطّاريّة باتسكاب الأكثر مقاومة لعداء الليثيوم، لكنّها تشكو من عيبين أساسيّين، فهي لا تعمل دون حرارة تبلغ 60 درجة مئوية، والا لا يطلق التفاعل الكيميائي حرارة مرتفعة مهمّة لدى الاحراق. وهي بطّارية ثقيلة الوزن 300 كلغ، ويجب حفظها على 60 درجة مئوية قبل التأمّل باقلاع السيّارة! وبالتالي، تنخفض كثافة الطاقة إلى 100 وات/كلغ فقط. وتصبح بطّاريّة الليثيوم-بوليمير لاحقاً ضعيفة وتستجيب باسترخاء عندما يضغط السائق على الدوّاسة. لكنّ باتسكاب بادر إلى حلّ هذه المشكلة من طريق اضافة أجهزة تخزين فيزيائي وليس كيميائي كما هي الحال في البطّاريّات الأخرى إلى مدارات مكثّفاته الممتازة، علماً أنّ هذه الأجهزة تتمتّع بكثافة طاقة ضعيفة ولكنها قادرة على توزيع التيّار المطلوب فوراً.
إيجاد موادّ أوّليّة متكاثرة
سوق يتضمّن60 مليون سيّارة عام 2008، و15 كلغ من الليثيوم في سيّارة كهربائيّة. الحساب بسيط: انّ استبدال الحراري بالكهربائي سيعني استهلاك نحو مليون طن من الليثيوم خلال عامٍ واحد. ويجب مقارنة هذا الرقم ب25 ألف طن من الليثيوم المنتج عام 2007 وخصوصاً بالموارد العالميّة التي تستهلك وقيمتها تقدّر ب11 مليون طن فقط، وفقاً لمركز المسح الجيولوجي الأميركي. إذاً، هل أن بطّاريّة اللي- إيون مهدّدة مسبقاً بشحّ المادّة الأوّليّة؟ سيعتمد ذلك على المناجم الضخمة غير المستهلكة في أستراليا، وكندا، وأفريقيا وخصوصاً في التيبت حيث لا تزال المخازن مجهولة. ولكن لن ينقص المورد بالضرورة حتّى ان كانت المخازن غير كافية. في الواقع، يمكن استخراج الليثيوم من ماء البحر حيث يكون بكثافة زهيدةٍ 0.17غراماً /متراً مكعباً ولكن بكميات هائلة على مقياس المحيطات: 200 بليون طن! كيف يستخرج وما هي الكلفة؟ ينشط الباحثون حيال هذه المسألة وخصوصاً في آسيا: كالصين، وكوريا، وتايوان، واليابان. ويذكر أنّ اعادة التدوير قد تلبّي أيضاً بعض الحاجات. وذلك ما ان يصل أوّل جيل من البطّاريّات إلى نهاية عمره. وفي حال استنفذت الحلول كلها، يبقى بالإمكان تخيّل بطّاريّات من دون الليثيوم. حاليّاً، يعمل فريق اسرائيلي على بطّاريّات الماغنيزيوم، نظراً لتميّز هذا العنصر بكثرة توافره على الأرض، بيد أنّ أداؤه لا يزال محدوداً جدّاً. وبالتالي، قد يأتي أخيراً الحلّ من الكتلة الحيويّة. وبحماسة يؤكد جان ميشال تاراسكون الذي يعمل على هذا الموضوع في مختبر أميان:"بفعل الخميرات، قد نحصل على جزيئات كهربائيّة- كيميائيّة متحرّكة بمقدورها الوصول إلى أداءات بطّاريّة الليثيوم-إيون ذاتها".
خفض الأسعار
تفرض دفاتر شروط صانعي السيّارات كلفة قصوى تصل إلى 200يورو/كيلوات للبطارية، في حين بيلغ سعر بطارية لي-ايون حالياً
500 يورو/كيلوات. والسبب إرتفاع أسعار المواد الأولية أساساً. إنّه مجمّع التيّار النحاسي، والمحلّل الكهربائي، وأجهزة الأمان وخصوصاً الكوبلت الذي يشكّل50 في المئة من وزن القطب الموجب: كان سعر الكيلوغرام الواحد من الكوبلت 90 يورو قبل تدهور الأسواق الماليّة في كانون الثاني يناير 2008. والمسألة ليست مسألة ندرة بل مسألة مضاربة، اذ وفقاً لمعهد"كوبلت ديفلبمنت"، يكفي المخزون لمئة سنة أو ثلاث مئة سنة. لذا، انطلق الباحثون لإيجاد نوع جديد من القطب. وفي هذا السياق يشير ميشال أرمان الى"أن الكوبلت لن يأخذ مطلقاً مكانه في سيّارةٍ كهربائيّة نظراً لإرتفاع ثمنه. وأصناف المعادن المرشحة لتحلّ مكانه ليست كثيرة، وهي تتمثّل بالحديد، والمانغانيز، والألومنيوم. ويضيف:"إنّ مصير القطب الموجب هو النجاح كونه مصنوع من فوسفات الحديد، لذا يجب أن يكون أقلّ كلفة من القطب المصنوع من الكوبلت بثلاثة أضعاف، في الوقت الذي يتيح لنا استقراره الحراري التأمّل بقدرتنا على التخفيف من تجهيزات الأمان وخصوصاً الأجهزة الإلكترونيّة. أمّا عيب هذا القطب الوحيد فهو ضعف كثافة الطاقة لديه وتبلغ 150وات/كلغ، غير أنّ هذا الأمر لا يقف عائقاً أمام انتظاره. ويُشار إلى أنّ شركات مثل"فيزيانغ انرجي تكنولوجي"التايوانيّة و"فالنس"و"أ.123"الأميركيّتين، بدأت تصنيع هذا القطب ولكن بكمّيات محدودة، نظراً لغياب الطلب عليه، ولأنّ التصنيع يتطلّب تنظيماً. فإن كانت وسائل التصنيع مخصّصة جيّداً لبطّاريّات أجهزة الهاتف والسيّارات، فلا علاقة للقوّة في هذا الشأن. فالفورة الصناعيّة الواضحة في آسيا ستساهم بدورها في خفض الأسعار.
تنظيم إعادة التدوير
يعتبر تطبيق إعادة التدوير في شكل كامل قدر المستطاع أمراً أساسيّاً لتستمرّ المعادلة الصناعيّة لبطّاريّات اللي- إيون، نظراً للمعادن الثمينة أو النادرة تقريباً على مثال الليثيوم والكوبلت. أمّا أخبار هذا الجانب فجيّدة.
وفي هذا السياق، يؤكّد رئيس مؤسّسة ريكوبيل المتخصّصة في اعادة تدوير البطّاريّات فاروق تدجر"أصبحت حلول إعادة التدوير جاهزة لوصول السيّارة الكهربائيّة". لكنّ الأمور ليست أكيدة بعد، اذ ثمّة طريقتين تتنافسان: الطريقة الحراريّة والطريقة الكيميائيّة.
وتستخدم الشركة الجديدة لتنقية المعادن"سنام"الطريقة الأولى وتقدّم وفقاً لمروجيها، أفضل نسب تقويم.ٍ ويؤكّد مدير قسم المبيعات فريديريك سالان، أنّ"86 في المئة من البطّاريّة و100 في المئة من المعادن يُعاد تدويرها". غير أنّ هذه التقنيّة تستهلك طاقة كثيرة لأنّ المعادن تُحرق على حرارة عالية جدّاً بحيث تصل إلى 1000 درجة مئوية. إنّها طريقة فعّالة جداً ولكنّها مؤسفة بالنسبة إلى كمّيّة ثاني أوكسيد الكربون العامّة في ما يتعلّق بالجانب الكهربائي! في المقابل، أعدّت مؤسّسة ريكوبيل وسيلة غير حراريّة تعتمد على فصل العناصر من طريق أوعية مغمورة بمفاعل كيميائيّة. ويضيف تدجر:"من ميزات هذه الوسيلة: استهلاك بسيط للطاقة، وإنبعاثات قليلة من ثاني أوكسيد الكربون وليونة قصوى". لكنّ الأداء غير مرضٍ كثيراً اذ إن نسبة اعادة تدوير تبلغ 68 في المئة من البطّاريّة و98 في المئة من المعادن. وفي حال انتهى المطاف بالبطّاريّات في الطبيعة على رغم الفائدة الاقتصاديّة التي تظهرها؟ على الأقلّ لن نقلق حيال معادن ثقيلة كالرصاص والكادميوم. ولكن يبقى الكوبلت الذي يعتقد انّه يسبّب السرطان.
بين خيارين
تعجز السيّارة العاملة على الهواء المضغوط عن الوصول إلى مردودات ملموسة. ويعاكس الوقود الحيوي بدوره الزراعات الغذائيّة بانتظار نباتات جديدة على مثال الطحالب الدقيقة. ولكن هل ستكون كافية لتلبية حاجات الأرض؟ ويبقى الشريكان: الهيدروجين وبطّاريّة الوقود التي يبقى لصالحها الاكتفاء: اذ تضمن قارورات الهيدروجين سعة 700 بار مسافة 500 كلم، وهو أداء لا يمكن بلوغه مع بطّاريّاتٍ عاديّة. لكنّ السعر باهظ: مثلاً حافز البلاتين بين 10 و25 غراماً نحو 800 يورو، والغلافات والتجهيز: كلّها باهظة الثمن في بطّاريّة الوقود.
ولذلك، تبلغ قيمة كلّ سيّارة من سيّارات الهيدروجين العاملة حاليّاً بضعة مئات آلالاف من اليورو. أمّا العيب الآخر للهيدروجين فهو عدم وجوده طليقاً في الطبيعة، من هنا ضرورة إنتاجه وهذا ما يبرهن مردود ثاني أوكسيد الكربون. مبدئيّاً، يوازي مردود السيّارة العاملة على بطّاريّة الوقود مردود مثيلتها العاملة على بطّاريّات اللي-إيون، أي أن المردود يكون مرّتين أفضل من نظيره في السيّارة الحراريّة. لكنّ الهيدروجين المستخرج من الميتان وهو مورد أحفوري. والوسيلة البديلة تحليل الماء بالكهرباء، لكنّها تستهلك الكهرباء...وبالتالي يصبح مردود بطّاريّة الوقود أسوأ من مردود المحرّك الحراري.
* نقل النص الى العربية قسم الترجمة في"دار الحياة".
6 تحديات
الاكتفاء.
إنّ أيّ قطب موجب يكون أكثر استقراراً على الصعيد الكيميائي، يتيح تخزين شحنات أكثر.
الشحنة
لا يتحمّل جيّداً قطب الغرافيت السالب شحناً سريعاً.
الأمان
يجب حفظ الحرارة على درجة 25 درجة مئوية، وذلك بفضل التبريد بالماء والرقابة الالكترونيّة.
الموادّ الأوّليّة
لا يتوافر الليثيوم، المادّة الأوّليّة للبطّاريّة الكهربائيّة، إلاّ بكميات محدودة.
الثمن
يمكن استبدال الكوبلت الباهظ الثمن بفوسفات الحديد أو غيره من المعادن.
إعادة التدوير
يجب التعويض عن المكوّنات الأكثر كلفة في أسرع وقت ممكن.