【تطبيقات الطاقة الجديدة】 أيهما أكثر أمانًا: بطاريات الليثيوم فوسفات، أم بطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات؟

حاليًا، ينقسم مسار تقنية البطاريات في السيارات الكهربائية الخالصة المحلية إلى نوعين رئيسيين: أحدهما هو بطاريات النيكل-كوبالت-مغنيسيوم، والآخر هو بطاريات الليثيوم-فوسفات الحديدي. درجة فقدان السيطرة الحرارية لفوسفات الليثيوم الحديدي أعلى من تلك الموجودة في الأنظمة الثلاثية، مما يمنح مواد القطب الموجب لديه ميزة من حيث الأمان. من ناحية حزم البطاريات في وحدات التحميل، فإن البطاريات ثلاثية المكونات أصغر حجمًا بنسبة 15% على الأقل مقارنة ببطاريات الليثيوم فوسفات، كما أن وزنها أخف بنسبة 20% على الأقل، مما يتيح استغلالًا أفضل للمساحة في المركبات التي تستخدم هذه البطاريات. على المستوى العالمي، تشكل بطاريات النظام الثلاثي أكثر من 80% من سوق بطاريات الليثيوم أيون العالمية حاليًا. ووفقًا لبيانات شركة ATKearney، وهي شركة عالمية متخصصة في الاستشارات التجارية، فإن 93% من مواد الأقطاب المستخدمة في بطاريات الليثيوم الثنائية تُستخدم في بطاريات النوع الثلاثي. أما في سوق البطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية، حيث يُطلب أداء أعلى ومستوى أمان أكبر، فإن نسبة استخدام هذه المواد تتجاوز 81%. في السوق الصينية، بدأت شركات بطاريات الطاقة تطويرها في مجال فوسفات الحديد الليثيوم مبكرًا، ولديها حصة سوقية إجمالية أعلى. وعلاوة على ذلك، وعلى عكس الأسواق الخارجية، فإن حافلات الطاقة الجديدة نادرة مقارنةً بالسيارات الخاصة. ووفقًا للبيانات المتاحة، بلغ حجم شحن بطاريات الطاقة في عام 2015 ما يقارب 15.7 جيجاواط ساعة، وكانت بطاريات الليثيوم الفوسفاتية لا تزال تهيمن على السوق، حيث شكلت نحو 69% من إجمالي الحصة السوقية ； تشكل شحنات بطاريات المواد الثلاثية 27%. وفي مجال السيارات الخاصة، فإن أنواع البطاريات المستخدمة هي بشكل أساسي بطاريات التريمتال، وقد بلغ حجم شحنات هذه البطاريات 1.93 جيجاواط/ساعة ； في مجال الحافلات، يتم استخدام بطاريات الليثيوم فوسفات كبديل رئيسي، حيث تشكل 84% من إجمالي بطاريات الحافلات الكهربائية، بينما تشكل بطاريات المواد الثلاثية نسبة 12.9% فقط. لكن مع تزايد متطلبات السيارات الكهربائية الجديدة من حيث المدى، بدأت العديد من شركات بطاريات الطاقة في تسريع أبحاثها في مجال بطاريات الليثيوم ثلاثية العناصر، في الوقت نفسه الذي يشهد فيه استخدام هذه البطاريات توسعًا مستمرًا في السوق.

غوو شينغتشانغ، رئيس معهد أبحاث بطاريات الليثيوم التابع لشركة الخطوط الجوية الصينية: إن سياسة تأجيل إدراج البطاريات ذات الثلاثة عناصر في قائمة المركبات التجارية، ستؤثر بشكل كبير على الشركات التي تعمل في مجال هذه المواد على المدى القصير. وعلى المدى الطويل، يظل التركيز على تطور تقنيات المواد الحديدية الليثيومية والمواد الثلاثية؛ فكلا هذين النوعين من المواد يمكنهما تجاوز نقاط ضعفهما، وبالتالي فإن آفاق تطورهما مشرقة أيضًا. 　　وفي الوقت نفسه، أشار جوو شينغتشانغ إلى أن استثمارات واهتمامات صناعة البطاريات الليثيومية تركز حاليًا على مرحلتي المواد الخام وإنتاج البطاريات، لكن من أجل تحقيق تنمية مستدامة، يجب التركيز على الاستخدام التدريجي وإعادة التدوير، من أجل تعظيم قيمة المواد. 　　فيما يتعلق بدورة البطاريات الليثيومية، فإن عملية إعادة تدوير الأنظمة الثلاثية في طور التطور المستمر، كما أصبحت عملية استرجاع النيكل والكوبالت أكثر نضجًا مع تقدم الصناعة، خاصة أن هناك شركات تعمل بنشاط على تطوير حلول لاستخدام هذه المواد في البطاريات. لكن بطاريات الليثيوم الحديدية لم تشكل بعد دورة صناعية كاملة. 　　يعتقد جوو شينغتشانغ أنه لإنشاء نظام دورة حياة فعال لبطاريات الليثيوم الفوسفاتية، من الضروري حل أربع مشكلات رئيسية. الأول هو تفكيك الوحدات، بأي طريقة أوتوماتيكية، أو بطريقة تتطلب تكلفة منخفضة ； الجزء الثاني هو تصنيف وتقييم البطاريات، وذلك لأن تكلفة تصنيف البطاريات ما زالت مرتفعة في الوقت الحالي، فكيف يمكن تصنيفها بتكلفة منخفضة وبطريقة آمنة؟ ； الثالث هو الاستفادة المتدرجة، أي كيفية جعل البطاريات القديمة تعمل لفترة أطول، وبالتالي تقليل تكاليف الصناعة بأكملها ； أخيرًا، هناك إعادة التدوير؛ فعندما لا يمكن استخدام الشيء بعد الآن، يتم معالجته لاستخلاص القيمة الموجودة فيه.

خلف الكواليس: تعليق استخدام بطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات
في 24 يناير 2016، صرح زانغ شيانغمو، مدير إدارة صناعة المعدات في وزارة الصناعة، في مؤتمر “تطور وتقدم بطاريات الطاقة” الذي نظمته جمعية السيارات الكهربائية الصينية في عام 2016، بأنه سيتم إجراء تقييم لمخاطر استخدام بطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات، وأنه قبل انتهاء هذا التقييم، سيتم تعليق إدراج الحافلات التي تستخدم هذه البطاريات في قائمة الطرازات الموصى بها لاستخدامها في السيارات الجديدة. يذكر وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات أن بطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات تتمتع بطاقة عالية وأداء جيد في عمليات التكرار، وهي تمثل اتجاهًا مهمًا في تطور بطاريات الليثيوم في المستقبل. لكن بلادنا بدأت التعامل مع هذا المجال في وقت متأخر، كما أن التطوير والتحقق من سلامة استخدامها في الحافلات لم يكتمل بعد. لذلك، تفكر الوزارة في رفع المعايير التقنية المتعلقة بسلامة منتجات السيارات الجديدة، وإجراء تقييمات لمخاطر استخدام بطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات في الحافلات وغيرها من السيارات وفقًا للمعايير الأمنية الحالية. وقبل ذلك، صرحت شو يانهوا، نائبة الأمين العام لجمعية صناعة السيارات الصينية، بأنه نظرًا لأن بطاريات الليثيوم الثلاثية ما زالت في مراحلها الأولى في الصين، فإن عمليات تطوير واختبار سلامتها المستخدمة في الحافلات الكهربائية غير كافية، كما أن معايير الاختبار غير مكتملة. ولذلك، اقترحت على وزارة الصناعة تعليق قبول طلبات إدراج الحافلات الكهربائية التي تستخدم بطاريات الليثيوم الثلاثية في قائمة الحافلات المعفاة من ضريبة الشراء.

في 6 أغسطس 2015، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات “إشعارًا بشأن القيام بفحوصات للكشف عن المخاطر المتعلقة بتطبيق تقنيات توفير الطاقة والسيارات الجديدة التي تعمل بالطاقة الجديدة”. جاء إصدار هذا الإشعار في ظل وقوع عدة حوادث انفجار لحافلات كهربائية بالكامل وحافلات هجينة في مناطق معينة. وفقًا للتحقيقات الأولية التي أجرتها الجهات المعنية، فإن المركبة المتسببة في الحادث تعاني من عيوب ومخاطر أمنية في تصميم المنتج واستخدامه اليومي. ولاستخلاص العبر ومنع تكرار حوادث مماثلة، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات تعميماً تطلب فيه من شركات إنتاج السيارات الموفرة للطاقة والسيارات الجديدة التي تعمل بالطاقة الجديدة القيام بفحص ومعالجة المخاطر الأمنية. في مراحل تصميم المنتجات وتصنيعها وتشغيلها واستخدامها وإعادة تدويرها أو التخلص منها، يجب على الشركات أن تولي اهتمامًا كبيرًا للسلامة، من أجل ضمان الكفاءة في استخدام الطاقة وضمان تشغيل المركبات الجديدة العاملة بالطاقة النظيفة بشكل آمن. ووفقًا للإحصائيات، شهدت بلادنا في السنوات الأخيرة العديد من حوادث اشتعال الحافلات الكهربائية. تشير البيانات إلى أنه من عام 2011 وحتى الآن، وقعت في البلاد ما لا يقل عن 22 حادثة حريق في سيارات الطاقة الجديدة. من بينها، وقعت العديد من حوادث احتراق الحافلات الكهربائية في عام 2015، وأحد أسباب ذلك هو كثرة عدد بطاريات الحافلات، مما يزيد من احتمالية وقوع الحوادث.

مقارنة بين بطاريات الليثيوم الثلاثية وبطاريات ليثيوم الحديد الفوسفات. تشمل بطاريات الليثيوم أنواعًا متعددة مثل ليثيوم الحديد الفوسفات، والمواد الثلاثية أي أكسيد النيكل والكوبالت والمانغنيز، وكربونات الليثيوم، وأكسيد الليثيوم والنيكل. حاليًا، النوعان الأكثر استخدامًا في السيارات هما بطاريات الليثيوم الثلاثية وبطاريات ليثيوم الحديد الفوسفات. تختلف خصائص بطاريات الليثيوم ثلاثية العناصر وبطاريات الليثيوم فوسفات الحديد عن بعضها، وتتركز الخلافات الرئيسية في “كثافة الطاقة” و“الأمان”. تتميز بطاريات الليثيوم ثلاثية العناصر بكثافة طاقة أعلى وحجم أصغر ووزن أخف، لكن أمانها يُشكك فيه باستمرار. على الرغم من أن بطاريات الليثيوم الفوسفاتية لها كثافة طاقة منخفضة، إلا أن الجميع يقولون إنها أكثر أمانًا. كلا المادتين يتفككان عند الوصول إلى درجة حرارة معينة، حيث تتفكك مادة الليثيوم الثلاثية عند درجة حرارة تقارب 200 درجة مئوية. وعلاوة على ذلك، فإن التفاعلات الكيميائية لمواد الليثيوم الثلاثية أكثر شدة، حيث تنطلق جزيئات الأكسجين، وتحت تأثير درجات الحرارة العالية يحترق الإلكتروليت بسرعة، مما يؤدي إلى حدوث تفاعلات متسلسلة. أما فوسفات الليثيوم الحديدي، فيتفكك عند درجة حرارة تتراوح بين 700 و800 درجة، ولا يطلق جزيئات الأكسجين مثل مواد الليثيوم الثلاثية، لذا فإن عملية الاحتراق ليست شديدة. ببساطة، مواد الليثيوم الثلاثية أكثر عرضة للاشتعال من مواد فوسفات الحديد والليثيوم.

من وجهة نظر اتجاهات التطور، تتجه شركات السيارات الخاصة في الداخل إلى استخدام بطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات، حيث تختار السيارات الكهربائية التي تنتجها شركات مثل بيجو، وبي واي دي، وجيانغهوا استخدام هذا النوع من البطاريات. كما يسرع الموردون المعنيون أيضًا من إنتاج بطاريات الليثيوم الثلاثية، فعلى سبيل المثال، من المخطط أن تركز المصنع الثاني لشركة إيوي ليثيوم على إنتاج بطاريات الليثيوم الثلاثية. أما بطاريات الحديد الفوسفاتية فهي تُستخدم بشكل متزايد في سوق الحافلات الكهربائية. ووفقًا لمجموعة البيانات من نوفمبر الماضي، فإن نسبة استخدام بطاريات الليثيوم الفوسفاتية في الحافلات الكهربائية بلغت 64.9%، بينما كانت نسبة استخدام بطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات 27.6% فقط. على العكس من ذلك، في سوق السيارات الكهربائية الخالصة، تجاوزت نسبة استخدام بطاريات الليثيوم الثلاثية في نوفمبر من العام الماضي 76%.

تحليل مفصل: ما هي المواد الثلاثية الأبعاد بالضبط، ولماذا تثير مشاكل أمنية؟ 26 فبراير 2016، موقع “الشبكة الكهربائية الأولى”: إن الخلافات حول خطط تطوير تقنيات البطاريات مستمرة منذ فترة طويلة، وقد تم تعليق استخدام البطاريات المصنوعة من المواد الثلاثية في الحافلات التي تعمل بالطاقة الجديدة، مما أثار جدلاً واسعاً في الصناعة. في 26 فبراير، نظمت شبكة “الكهرباء الأولى” في بكين ندوة بعنوان “جدل حول سلامة بطاريات المواد الثلاثية”， حيث اجتمع ممثلون من مختلف المجالات مثل بطاريات الطاقة والسيارات والبحث العلمي لمناقشة تطور تقنيات بطاريات الطاقة والوضع السوقي لها. شمل المشاركون في مناقشات الصالون: ليو يانلونغ، الأمين العام لجمعية صناعة المصادر الكيميائية والفيزيائية للطاقة في الصين؛ نيه ليانغ، مؤسس شركة بيرتان للتكنولوجيا؛ ما جونفنغ، المدير الأول في شركة بكين بوسطن لتقنيات البطاريات؛ تونغ زيتشيان، المستشار الأول في شركة بكين زوسي للاستشارات؛ وانغ تشينغشينغ من معهد المواد الوظيفية وتقنيات الطاقة الجديدة في الجامعة التقنية الحكومية في سانت بطرسبرغ بروسيا؛ تان هاوهاي، مدير المبيعات في شركة يواندونغ فوستر للطاقة الجديدة؛ وسونغ هواجيه، كبير المهندسين في مركز تطوير بطاريات بيك. تولى تشيو كايجون، الرئيس التنفيذي لشركة “الشبكة الكهربائية الأولى”， مهمة تقديم الندوة. ما هي بطارية المواد الثلاثية؟ ما هو الوضع الحالي للاستخدام؟ لماذا يثير ذلك قلق الجميع بشأن الأمان؟ في النقاش خلال النصف الأول، أبدى المشاركون آراءهم، لكنهم جميعًا نفوا الاستنتاج القائل بضرورة التشكيك في سلامة المواد الثلاثية بشكل منفصل. بشكل عام، يحدث تحول السيارات من استخدام الوقود إلى الطاقة الكهربائية بسرعة كبيرة، وتواجه جميع السيارات الكهربائية مشكلة ضرورة التحكم في أمان البطاريات.

وانغ تشينغشنغ: هناك خطأ مفاهيمي في القول بأن "مواد النيكل-كوبالت-منغنيز غير آمنة". فمواد النيكل-كوبالت-منغنيز وغيرها من مواد الكاثود مثل فوسفات الحديد الليثيوم لكل منها مزايا وعيوب، لكن لا يوجد ما يسمى بالآمن وغير الآمن بينها. الاعتماد على خصائص المواد وحدها لتقييم السلامة أمر غير كافٍ، فلكل من المواد الثلاثية ومواد الأنود الأخرى مثل فوسفات الليثيوم مزايا وعيوب. الاعتماد على خصائص المواد وحدها لتقييم السلامة أمر غير كافٍ، إذ تختلف نتائج استخدام المواد في ظروف مختلفة من حيث البيئة والتركيب والحجم وطرق التصنيع، وهذا يشكل نظامًا معقدًا للغاية. ما علينا فعله هو استغلال مزايا مواد البطاريات وتجنب عيوبها. لا يتم تحديد ما إذا كان المادة آمنة أم لا من خلال المؤشرات الفيزيائية لها، بل الأهم هو كيفية التحكم في استخدامها واستخدامها بشكل صحيح أثناء عملية الاستخدام. هناك فرق معين في درجة الحرارة اللازمة لعملية الأكسدة وإطلاق الحرارة في المواد ثلاثية المكونات، مقارنة بمادة الفوسفات الحديدي الليثيوم، لكن هذا لا يعني أن ارتفاع درجة حرارة الأكسدة في مادة الفوسفات الحديدي الليثيوم يعني أنها أكثر أمانًا. يتم تقييم أمان البطاريات من خلال النظر إلى الحرارة المتولدة؛ فإذا تم تصميم البطارية بحيث تولد حرارة قليلة جدًا، وكانت قدرتها على التخلص من الحرارة جيدة، فإن البطارية ستكون آمنة بغض النظر عن حجمها أو المواد المستخدمة في تصنيعها. أدت الأخطاء المفاهيمية إلى اعتقاد الجميع بأن المواد الثلاثية غير آمنة، وأن ليثيوم الحديد الفوسفات يحمل أيضًا مخاطر محتملة. لذلك، فإن دراسة سلامة المواد تتطلب النظر في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة، بالإضافة إلى المواد المتوافقة معها وآليات توليد الحرارة وتبديدها؛ أما مسألة ما إذا كانت المادة آمنة أم لا، فلا يمكن الحديث عنها على الإطلاق.

ليو يانلونغ: بطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات هي اتجاه التطور في المستقبل. يرتبط تطور بطاريات الطاقة ارتباطًا وثيقًا بالخطة التي وضعتها بلادنا في المراحل الأولى لتطوير هذه البطاريات؛ فخلال الخطة الخمسية الحادية عشرة، كان هناك دعم أكبر لاستخدام الليثيوم الفوسفاتي كمكون رئيسي. وفي الفترة ما بين عامي 2013 و2015، تسارعت وتيرة تصنيع بطاريات الطاقة، ومن خلال تحليل اتجاهات السياسات، يمكن القول إن السياسات المستقبلية ستوفر دعمًا أكبر لبطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات، ولذلك تختار العديد من الشركات استخدام هذا النوع من البطاريات كاتجاه لتطويرها. في سبتمبر 2015، تم إجراء إحصاءات أولية لقدرات الإنتاج لدى شركات البطاريات في الداخل؛ حيث بلغت قدرات الإنتاج التي أنشأتها أكثر من 30 شركة حوالي 30 مليار واط/ساعة. وباستثناء عدد قليل من الشركات التي تستخدم تقنية الليثيوم ثلاثي الأكسيد، فإن أكثر من 250 مليار واط/ساعة من هذه القدرات تعتمد على تقنية الليثيوم الفوسفاتي، ويشمل ذلك القدرات التي سيتم توسيعها لاحقًا. من حيث استخدام بطاريات الطاقة في عام 2015، بلغ حجمها أكثر من 20 مليار، وكان أكثر من 70% منها عبارة عن بطاريات ليثيوم فوسفات، خاصةً في الحافلات، بينما تميل السيارات الخاصة إلى استخدام بطاريات من نوع ثلاثي المكونات. لكن سياسة دعم الحافلات الجديدة التي تعمل بالطاقة الجديدة للفترة 2016-2020 وضعت متطلبات تتعلق بقيمة Ekg، مما دفع شركات تصنيع الحافلات إلى التحول إلى بطاريات الليثيوم الثلاثية. بشكل عام، تعتبر بطاريات الليثيوم ثلاثية المكونات اتجاه التطور في المستقبل. أما بالنسبة للمواد نفسها، فعند حدوث فقدان التحكم في التسخين في كل من مادة الثلاثية ومادة فوسفات الحديد الليثيوم، تختلف درجات حرارة التحلل الحراري؛ حيث تكون درجة الحرارة أقل في مادة الثلاثية، وأعلى في مادة فوسفات الحديد الليثيوم. بالإضافة إلى ذلك، عندما تجري الشركات التجارب، تُظهر نتائج اختبارات الضغط أن المواد الثلاثية تؤدي إلى نتائج أكثر خطورة في وقت قصير، مثل الاشتعال والانفجار بسرعة، بينما قد يقتصر الأمر مع فوسفات الليثيوم على إصدار دخان. فيما يتعلق بالتحكم في عملية الإنتاج، يجب التوقف عنها قدر الإمكان قبل الوصول إلى درجة حرارة التحلل الحراري؛ وهناك بعض الإجراءات التي يمكن من خلالها السيطرة على الحوادث. يتمتع المادة نفسها ببعض الخصائص، مما يتطلب اتخاذ تدابير حماية متعددة في مراحل التصنيع والاستخدام لاحقًا، من أجل جعل بطاريات المواد الثلاثية أكثر أمانًا.

ما جونفنغ: تفتقر السيارات الكاملة إلى خطط لإدارة الحرارة. اختارت شركة بوسطن باور مسار تقنية الليثيوم الثلاثي لأن السيارات الكهربائية تسير في اتجاه التخفيف من الوزن، وقد حدد مؤشر Ekg ضرورة البحث عن مسار تقني ذو كثافة طاقة عالية. من وجهة النظر الحالية، يُعد المادة ثلاثية العناصر مادة يمكن تصنيعها بكميات كبيرة نسبيًا، ولها كثافة طاقة عالية، كما أن أداءها في درجات الحرارة المنخفضة جيد إلى حد ما. وفي الوقت الحالي، يمكن أن تصل كثافة الطاقة في بطاريات ليثيوم ثلاثية العناصر من نوع بوسطن إلى حوالي 125 واط/ساعة/كغم. العلاقة بين الأمان ومواد البطارية ليست كبيرة، فالأهم هو سيناريو التطبيق. يزداد عدد السيارات الكهربائية بشكل كبير، وبالتالي يرتفع احتمال حدوث حوادث، لذا فإن من الضروري التفكير في مسألة أمان البطاريات. من أي زوايا يمكن ضمان تطور هذه الصناعة لدينا بشكل أفضل، وكيف يمكن ضمان عدم وقوع حوادث كبيرة للسيارات، أو حتى في حال وقوع حرائق أو انفجارات، الحفاظ على سلامة ركاب السيارات وإخراجهم بأمان؟ إذا نظرنا إلى التطورات في السوق المحلية خلال العامين الماضيين، فإن سيارة تعمل بالطاقة الجديدة تُطرح في السوق خلال خمسة إلى ستة أشهر تقريبًا. ومعظم هذه المنتجات عبارة عن سيارات معدلة، وأكثر من نصفها لا يحتوي على أنظمة لإدارة الحرارة، وهذا يُعد نقطة ضعف تؤثر على أداء البطاريات. تتبع بطاريات بوسطن حاليًا استراتيجية سوقية تتمثل في التعاون مع الطرازات التي لديها متطلبات أقل نسبيًا تجاه البطاريات، وذلك لأن السيارة بأكملها لا يمكنها توفير بيئة مناسبة، لذا يتم استخدام البطارية في حالة ليست فيها نشاطها الكيميائي في أعلى مستوياته، وذلك لتقليل المخاطر الأمنية. مسألة الأمان هذه تُنظر إليها بشكل أساسي من منظور السيارة ككل ومنطقة المواقف، بينما يعتبر النظر من منظور المواد أمرًا ثانويًا بعض الشيء.