بطاريات التشغيل والإيقاف للسيارات الكهربائية الهجينة

بطاريات التشغيل والإيقاف للسيارات الكهربائية الهجينة

نظرة عامة على المركبات الهجينة الخفيفة وبطاريات التشغيل والإيقاف

شهد سوق السيارات، الذي كان يشهد نموًا مستدامًا في المبيعات، انكماشًا مفاجئًا بعد عام 2009. وبدأ إنتاج المركبات الكهربائية يركز بشكل متزايد على القطاع "الأخضر" من المركبات الكهربائية الهجينة والمركبات الكهربائية النقية. يتطلب تركيب نظام بدء التشغيل والإيقاف باستخدام بطاريات بدء التشغيل والإضاءة والإشعال التقليدية (SLI) قبولًا عاليًا للغاية للشحن وكثافة طاقة، مع توفير أداء بدء تشغيل متفوق مقارنةً ببطاريات SLI القياسية. يقلل هذا النهج من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، إلا أن هذه الأنظمة لا تزال أقل من تحقيق أهداف الانبعاثات الحكومية. وللوصول إلى مستوى تكلفة مقبول، يتم نقل المزيد من الوظائف من المحرك إلى البطارية. يتطلب هذا بشكل أساسي بطاريات قادرة على توفير طاقة أكبر وناتج طاقة أعلى بشكل موثوق، مع العمل أيضًا بمعدلات شحن/تفريغ عالية في حالة شحن جزئي عالية المعدل (مركز موارد الموارد البشرية). تتميز بطاريات الرصاص الحمضية المستخدمة في مثل هذه الظروف بعمر أقصر، مما يجبر مصنعي المركبات الكهربائية على اعتماد بطاريات هيدريد النيكل والمعدن (نيمه) وبطاريات أيونات الليثيوم (لي-أيون).

للحفاظ على مكانة بطاريات الرصاص الحمضية القوية في السوق وتوسيع نطاقها، هناك حاجة إلى بطاريات جديدة ذات طاقة وقدرة وعمر افتراضي أطول. يستمر اتجاه استبدال بطاريات SLI في النمو، بينما تحصل المركبات المجهزة بأنظمة التشغيل والإيقاف على فائدة إضافية في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 3%-8%. تحقق المركبات الكهربائية "الهجينة الخفيفة" و"الهجينة بالكامل" انخفاضات أكبر في ثاني أكسيد الكربون (15%-40%). المركبات الكهربائية القابلة للشحن أو "الهجينة بالكامل" أكثر ملاءمة للبيئة. تشير التوقعات إلى أن مبيعات المركبات الكهربائية "الهجينة الخفيفة"، القادرة على خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 10%-20%، ستستمر في النمو خلال الفترة 2020-2025. على العكس من ذلك، ستستخدم المركبات الكهربائية "الهجينة الكاملة" أو "الهجينة القابلة للشحن" بطاريات هيدريد النيكل والمعدن وبطاريات أيونات الليثيوم. لا تزال المركبات الكهربائية الهجينة الخفيفة تعتمد بشكل أساسي على بطاريات الرصاص الحمضية. يمثل هذا فرصة عمل نادرة وهامة لبطاريات الرصاص الحمضية عالية الأداء. على مدى الثلاثين عامًا القادمة، فإن قدرة بطاريات الرصاص الحمضية المتقدمة على أن تصبح المصدر الأساسي للطاقة للسيارات الكهربائية تعتمد على قدرتها على توفير عمر طويل وأداء عالٍ.

ناقشت عدة اجتماعات للتحالف المتقدم لبطاريات الرصاص الحمضية مسألة بطاريات الرصاص الحمضية. وقد برزت خلال العقد الماضي أسباب قصر عمر البطارية وآليات تعطلها، بالإضافة إلى حلول صناعية فعّالة لمعالجة هذه المشكلة. ويتمثل النهج الأكثر أهمية في إضافة إضافات كربونية إلى الأنود لمنع الكبريتات الناتجة عن ظروف مركز موارد الموارد البشرية. وظهرت بطاريات فائقة الأداء مزودة بألواح أقطاب سالبة عالية السعة مصنوعة من الكربون من شركتي فوروكاوا وإيست بنسلفانيا. وقد أدرجت شركات التصنيع في آسيا وأوروبا والولايات المتحدة مسحوق كربون ذي مساحة سطحية عالية في المواد النشطة للأقطاب السالبة. وبينما يُطيل هذا النهج عمر البطارية، تبقى معايير الأداء الأخرى دون تغيير.

تستهلك بطاريات الرصاص الحمضية ما بين 35% و40% فقط من سعتها النظرية للمادة الفعالة، وهو السبب الرئيسي لانخفاض سعتها النوعية وقدرتها النوعية نسبيًا. في بطاريات الرصاص الحمضية المتقدمة، تتيح زيادة استخدام المادة الفعالة إمكانية كبيرة لزيادة الطاقة النوعية والقدرة النوعية (واط/كجم، واط/كجم) بمقدار مرتين إلى ثلاث مرات. ويُقدم هنا مثال ناجح: اختيار شبكات مناسبة وتطبيق تصميم ثنائي القطب لتحسين الطاقة والقدرة النوعية.  

معلمات أداء الأقطاب الكهربائية ثنائية القطب والشبكات المحسنة  

إن إضافة إضافات الكربون إلى بطاريات الرصاص الحمضية المتقدمة يتجاوز مجرد دمجها في تركيبة المادة الفعالة للقطب السالب. إذ يمكن للأشكال المتقدمة من الكربون أن تحل محل الرصاص المعدني الشبكي. تتميز شبكات الكربون، الممزوجة بمعجون رصاص مناسب، بثبات ومتانة فائقين للدورة، يُضاهيان بطاريات هيدريد النيكل المعدني وبطاريات أيونات الليثيوم، كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه. 

تُعاني بطاريات الرصاص الحمضية المستخدمة في المركبات الكهربائية الهجينة من شيخوخة مبكرة في سعتها. بالإضافة إلى ذلك، يُسبب التآكل والصيانة تكاليف إضافية. السبب الرئيسي هو طريقة التشغيل: لا تُستخدم البطاريات في حالة شحن عائم، بل في حالة شحن جزئي مع دورات شحن/تفريغ عالية السرعة. يؤدي هذا إلى كبريتة الصفائح السالبة، مما يُسبب انخفاض السعة وانخفاض عمرها الافتراضي. مع ذلك، من المؤكد أن أداء بطاريات الرصاص الحمضية يتحسن باستمرار. العديد من التصاميم الجديدة قادرة على تلبية متطلبات التطبيقات الحديثة الأكثر تطلبًا. سيضمن المزيد من الأبحاث أن تظل بطاريات الرصاص الحمضية مصدر الطاقة الكيميائي الأكثر مبيعًا.