NCA، والمعروفة أيضًا باسم أكسيد الألومنيوم والكوبالت والنيكل والليثيوم، هي واحدة من المواد التي تجعل من الممكن تصنيع بطاريات ليثيوم أيون يمكن استخدامها لمجموعة واسعة من التطبيقات، من المركبات الكهربائية إلى الإلكترونيات المحمولة. الهدف من هذه المقالة هو تقديم بعض الأفكار الرئيسية حول NCA بما في ذلك خصائصها الكيميائية وإيجابياتها وسلبياتها مقارنة بمواد الكاثود الأخرى المعروفة. سيتم أيضًا استكمال فهم الجمهور لأنظمة تخزين الطاقة المعاصرة حيث تلعب NCA دورًا محوريًا من خلال استكشاف مقاييس الأداء وقضايا السلامة والتطورات الأخيرة في تكنولوجيا البطاريات. سواء كان باحثًا أو مهندسًا أو متخصصًا في التحويل، يهدف هذا الدليل إلى تزويد القارئ بنظرة عامة على NCA طلب وتأثيرها على تطوير البطاريات.
ما هو أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم؟
فهم تركيب أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم
يحتوي مركب NCA على عناصر مثل الليثيوم (Li) والنيكل (Ni) والكوبالت (Co) والألمنيوم (Al) بنسبة محددة. يمكن تمثيل الصيغة النموذجية لمركب LiNiCoAlO2 Ni على النحو التالي: LiNi_xCo_yAl_zO_2، حيث من المفترض أن تكون x وy وz عبارة عن كسور مولية من النيكل والكوبالت والألمنيوم في هذا المركب على التوالي. يساعد النيكل في توفير كثافة طاقة عالية، ويحسن الكوبالت الاستقرار الهيكلي، الألومنيوم يدعم الاستقرار الحراري والسلامة. إن تحويل هذه الأفكار إلى ممارسة عملية في مثل هذا الهيكل المركب يسمح بالحصول على الكاثود من المواد النشطة، والذي يستهدف الأداء لبطاريات الليثيوم أيون عالية الكفاءة.
دور أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم في بطاريات الليثيوم أيون
يعد أكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت والليثيوم (NCA) مهمًا لأنه يستخدم على نطاق واسع كمادة كاثود في بطاريات الليثيوم أيون بسبب خصائصه الكهروكيميائية المفيدة. السعة النوعية لأكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت عالية جدًا، حيث تصل نسبيًا إلى قيمة حوالي 200 مللي أمبير/ساعة، مما يسمح لهذه البطاريات بالحصول على خرج طاقة مرتفع. علاوة على ذلك، يتمتع أكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت بأداء جيد جدًا واستقرار الدورة، مما يضمن إمكانية تخزين الطاقة العالية واسترجاعها بكفاءة على مدى فترات طويلة من الزمن. تعمل إضافة الألومنيوم إلى أكسيد الألومنيوم والكوبالت أيضًا على تحسين الاستقرار الحراري، مما يجعله أكثر أمانًا من الانفلات الحراري. تزيد السمات المذكورة أعلاه من رغبة أكسيد الألومنيوم والكوبالت في التطبيقات مثل المركبات الكهربائية وأنظمة الطاقة متعددة الوظائف حيث تكون كثافة الطاقة والسلامة ذات أهمية كبيرة.
مقارنة NCA بمواد البطارية الأخرى
هناك بعض المزايا والعيوب لأكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت والليثيوم (NCA) المتراكمة مقارنة بفوسفات الحديد الليثيوم (LFP) وأكسيد الكوبالت الليثيوم (LCO). أولاً، تعمل مادة NCA على قمع وزن الخلية أكثر من LFP وهي عبارة عن تسخين أقراص وكثافة طاقة كيميائية عالية للشكل المضغوط والتطبيقات. ومع ذلك، نظرًا لدورة الحياة الطويلة وميزات التكلفة، فإن بطاريات LFP أكثر سلبية وأقل ملاءمة لأنظمة الطاقة الديناميكية. بالنسبة لأنظمة الطاقة BTM (خلف العداد) ذات غازات الشحن المواتية وخصائص غاز الشحن الزائد، فإن خلايا LCO هي ميزة واضحة، ولكن LFPs أكثر سلبية مقارنة بـ LCO، مما يؤدي إلى كثافة طاقة أقل. بالتفصيل، تتمتع مواد NCA بكثافة طاقة أعلى مقارنة بـ LFP، في حين تسمح مواد LCO بتوازن أفضل بين التكلفة والأداء لكل دورة. ومع ذلك، يأتي اختيار مادة البطارية للتطبيق مع نسبة كثافة الطاقة إلى الوزن مقابل السلامة والفعالية من حيث التكلفة وكفاءة النظام.
كيف يعمل أكسيد الألومنيوم والكوبالت والنيكل والليثيوم على تحسين أداء البطارية؟
كثافة الطاقة المحسنة باستخدام أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم
إن أكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت والليثيوم (NCA) فعال في تحسين طاقة البطارية، وذلك في المقام الأول بسبب كثافته العالية للطاقة مقارنة بمركبات الليثيوم أيون الأخرى، مما يسمح باستخدام أطول بين الشحنات في أحجام أصغر. يمكن أن تكون الطاقة الخاصة بأكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت أعلى من 200 واط/كجم، مما يجعلها مناسبة جدًا للاستخدام في المركبات الكهربائية. ومن الجدير بالذكر أيضًا أن الصلابة الهيكلية العالية لأكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت توفر إمكانية الاحتفاظ بالأداء العالي بعد دورات شحن وتفريغ عديدة، أي تحسين عمر البطارية. كل هذه المعلمات، بالإضافة إلى كثافة الطاقة العالية والكفاءة التشغيلية فوق المتوسطة طوال دورة الحياة، تجعل أكسيد الألومنيوم والكوبالت احتمالًا جذابًا للجيل القادم من البطاريات.
زيادة عمر البطارية باستخدام كاثودات NCA
تعد كاثودات أكسيد الألومنيوم والكوبالت والنيكل والليثيوم (NCA) فعالة في تحسين عمر البطارية بفضل موادها وخصائصها الكهروكيميائية المحددة. جزء من سبب العمر الأطول لبطاريات أكسيد الألومنيوم والكوبالت هو حقيقة أن هذه البطاريات تتمكن من الاحتفاظ بسلامتها الهيكلية أثناء الدورة. أشارت الدراسات إلى أن أكسيد الألومنيوم والكوبالت يمكن أن يفرغ 80% على الأقل من سعة التفريغ المقدرة بعد 1500 عملية شحن وتفريغ مقارنة بشكل إيجابي للغاية بكاثودات شائعة أخرى مثل أكسيد الألومنيوم والكوبالت والليثيوم (LCO) المعروف بفقدان سعة الطاقة العالية في عدد أقل بكثير من الدورات.
كما أن الاستقرار الحراري المعزز لـ NCA يجعل حدوث تدهور هيكلي أو مادي بسبب الضغوط الحرارية، وهو أحد العوامل الرئيسية التي تحد من عمر البطارية، غير مرجح تمامًا. وقد لوحظ أن خلايا NCA في المختبر كانت تعمل بشكل أفضل من خلايا LCO في الظروف الحرارية عندما تعرضت كلتا المجموعتين من الخلايا لدرجات حرارة تشغيلية عالية. علاوة على ذلك، فإن بطاريات NCA ذات كثافة الطاقة التي تبلغ حوالي 250 واط/كجم لا تعمل بشكل سيئ حتى في ظل ظروف التشغيل المجهدة، والتي من شأنها أن تحد من عمر البطاريات في مجالات مثل المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الشبكة. وهذا يجعل NCA أكثر جاذبية للصناعات التي تبحث عن مصادر طاقة ثابتة ودائمة.
معلومات حول الاستقرار الحراري والسلامة لبطاريات NCA
يعد الاستقرار الحراري جانبًا مهمًا للغاية عندما يتعلق الأمر بتشغيل وسلامة بطاريات أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA). بناءً على تقارير مختلفة وصناعية من خلال التحليل، من المقبول عمومًا أن بطاريات NCA تعمل بمستوى أعلى من الاستقرار الحراري مقارنة بتقنيات Li-ion الأخرى. ويعزى هذا الاستقرار بشكل أساسي إلى الخصائص المميزة لـ NCA، والتي تقلل بشكل كبير من احتمالية الهروب الحراري - وهو الموقف الذي يؤدي فيه ارتفاع درجة الحرارة إلى تحلل سريع لمكونات البطارية.
وتشير أحدث الدراسات إلى أن أنظمة البطاريات NCA الأكثر كفاءة يجب أن تكون قادرة على العمل دون مشاكل حتى عند تعرضها لدرجة حرارة 60 درجة مئوية لفترات طويلة من الزمن. وإلى جانب ذلك، فإن دمج أنظمة إدارة حرارية معقدة في تصميمات البطاريات من شأنه أن يعزز السلامة، ويوفر قدرة تبريد كبيرة عند الطلب المرتفع أثناء التشغيل. وقد وضعت العديد من الشركات تدابير مختلفة للتخفيف من مخاطر السلامة مثل الحماية من ارتفاع درجة الحرارة ومواد التغليف الفعالة.
في الاستخدام الفعلي، وبفضل خصائص الحماية الحرارية التي تتمتع بها NCA والتحسينات الأخرى في التصميم، أصبحت البطاريات فعالة في أي بيئة عمل، كما يتم التركيز أيضًا على سلامة المستخدمين في هذه العملية. وهذا هو السبب وراء تزايد جاذبية NCA لقطاعات الأعمال مثل السيارات والطيران والطاقة المتجددة وغيرها حيث تعد الموثوقية والسلامة من الأولويات القصوى.
ما هي تطبيقات بطاريات أكسيد الألومنيوم والكوبالت والنيكل والليثيوم؟
الاستخدام في المركبات الكهربائية
تعد بطاريات أكسيد الألومنيوم والكوبالت والنيكل والليثيوم (NCA) من أكثر البطاريات استخدامًا بين المركبات الكهربائية نظرًا لخصائصها المميزة مثل كثافة الطاقة العالية وعمر الدورة الطويل والاستقرار الحراري الاستثنائي. ويتحقق ذلك من خلال التوصيل الفعال للطاقة، مما يمكّن المركبات الكهربائية من الحصول على مدى أطول من كيمياء البطاريات الأخرى. علاوة على ذلك، تسمح بطاريات أكسيد الألومنيوم والكوبالت أيضًا بالشحن السريع للغاية، مما يمكن أن يلبي الحاجة المتزايدة للوصول السريع في المدن والمواقع الأخرى. كما قامت بعض شركات صناعة السيارات العملاقة بدمج تقنية أكسيد الألومنيوم والنيكل والليثيوم في المركبات الكهربائية الرائدة، مما يساهم في تحسين أداء حلول التنقل الكهربائي واعتمادها من قبل العملاء.
أنظمة تخزين الطاقة وبطاريات الليثيوم أيون
تم استخدام بطاريات أكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت والليثيوم NCA في أنظمة تخزين الطاقة (ESS) لفترة طويلة بسبب كثافة الطاقة والأداء المميزين. في مثل هذه التطبيقات، تلعب بطاريات NCA دور امتصاص الطاقة المنتجة من مصادر مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. تم الإبلاغ عن أن خلايا NCA تحقق 186- 250 واط / كجم، وهو أعلى من بطاريات الرصاص الحمضية في تقارير التكنولوجيا الجديدة.
عندما يتعلق الأمر بتصميم مشاريع تخزين الطاقة واسعة النطاق باستخدام تقنية NCA، فإنها تعمل بشكل جيد للغاية من حيث عمر الدورة، حيث يمكن أن يصل حجم نهاية الدورة إلى 3000 دورة عند عمق تفريغ 80%. علاوة على ذلك، من الممكن تحقيق حوالي 90 بالمائة من السعة بعد كل عمليات التفريغ عندما تصل خلية NCA إلى نهاية عمرها. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر بطاريات NCA دورات شحن وتفريغ سريعة مما يجعل استخدامها في عمليات الشبكة واقعيًا لأغراض إدارة اختلافات الحمل والتردد.
إن مشكلة الانتقال إلى مصادر طاقة أقل كربونًا تتعزز بسبب حقيقة مفادها أن استخدام بطاريات NCA داخل أنظمة تخزين الطاقة من شأنه أيضًا أن يقضي على تحديات انقطاع الطاقة. وهذا يمنح تكنولوجيا NCA الظروف المواتية لتحقيق مستقبل مستدام للطاقة مع تطبيقات على المقاييس التجارية والسكنية والمرافق العامة في الخلفية.
الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والأجهزة المحمولة
إن استخدام بطاريات أكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت والليثيوم في سوق الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والأجهزة المحمولة آخذ في الارتفاع نظرًا لكثافتها العالية من الطاقة وكفاءتها. كما توفر هذه البطاريات نسبة مثالية من الطاقة إلى الوزن. وبالتالي، فهي مثالية للاستخدام على الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأجهزة القابلة للارتداء. ومن بين الفوائد الأخرى الملحوظة لبطاريات أكسيد الألومنيوم والنيكل والليثيوم القدرة على الشحن بسرعة كبيرة وعمر دورة حياة أفضل، مما يسمح للأجهزة بالعمل لساعات أطول بشحنة واحدة وأداء جيد على مدى مئات الشحنات. ويميل ممارسو الصناعة بشكل متزايد نحو تقنية أكسيد الألومنيوم والنيكل والليثيوم لأن العملاء غير صبورين مع النقص المتكرر في البطاريات ويفضلون أجهزة الشحن السريع. ومع اتساع سوق الأدوات المحمولة، سيتعين على المزيد من الشركات المصنعة تبني تقنية أكسيد الألومنيوم والتقنيات المماثلة لتلبية احتياجات سوق الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية في المستقبل.
ما هي المخاوف المتعلقة بالسلامة وإجراءات التعامل؟
معلومات السلامة لمواد NCA
يتم التعامل مع أكسيد النيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA) بعناية كبيرة، حيث ينطوي ذلك على خطر الإصابة الخطيرة إذا لم يتم اتباع إرشادات السلامة. على سبيل المثال، قد تؤدي مواد أكسيد النيكل والكوبالت والألومنيوم إلى حروق كيميائية وتهيج الجهاز التنفسي إذا تم ملامستها. يجب استخدام معدات الحماية المناسبة (PPE)، بما في ذلك القفازات والنظارات والأقنعة لتجنب استنشاق الغبار الضار. في حالة حدوث انسكاب، يجب اتخاذ تدابير التحكم أولاً، ثم اتباع طرق التخلص المناسبة وفقًا لقوانين SIC. بالإضافة إلى ذلك، يجب تركيب أنظمة بطاريات أكسيد النيكل والكوبالت والألومنيوم في صناديق منخفضة الرطوبة وبعيدًا عن العناصر القابلة للاشتعال الأخرى لمنع الهروب الحراري. كما تعد الفحوصات الدورية لحالة البطارية مهمة أيضًا لمنع مخاطر تسرب البطارية أو انفجارها.
إدارة الشحن الزائد والهروب الحراري
لا شك أن الانفلات الحراري يعد أحد المخاطر المدمرة المرتبطة بتكنولوجيا البطاريات، وخاصة بطاريات NCA. وبعبارة بسيطة، يشير الانفلات الحراري إلى تلك الزيادة في درجة الحرارة التي تسبب حدثًا ينتج عنه الحرارة وتستمر الدورة في دوامة لا حدود لها أو بطريقة ذاتية التغذية وتنتهي بفشل البطارية أو حتى نشوب حريق. إن الشحن الزائد والدوائر القصيرة الداخلية وظروف درجات الحرارة المرتفعة هي بعض العوامل التي تفسر الانفلات الحراري.
لحماية الخلايا من تجاوز هذه الحدود، تتضمن بعض الخلايا أنظمة أمان ضد هذه المخاطر. على سبيل المثال، تعمل الحماية من الشحن الزائد على منع الجهد عبر خلية البطارية من تجاوز قيمة عتبة (عادةً حوالي 4.2 بطيء لكل خلية NCA). بالإضافة إلى هذه الدوائر، يمكن أيضًا استخدام الأجهزة الحرارية للكشف عن وصول درجة حرارة الخلية إلى مستويات مفرطة وبالتالي قطع الشحن.
وتؤكد النتائج كذلك على أهمية هذه التقنيات الإدارية. وعلى وجه الخصوص، تم تقدير أن حوالي 60% من حالات فشل البطاريات ناجمة عن حوادث الهروب الحراري. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت بعض الاختبارات المعملية التجريبية أن تطبيق أنظمة إدارة البطاريات المتقدمة الجديدة (BMS) يمكن أن يقلل من عدد حالات الهروب الحراري إلى حوالي 80%. لا ينبغي الاستهانة بفعالية هذه الأساليب، حيث أن التعليم المناسب حول إرشادات الشحن واستخدام الشواحن المتوافقة من شأنه أن يقلل من فرص الشحن الزائد للبطاريات. وعلاوة على ذلك، فإن الفحص الروتيني للبطاريات من شأنه أن يسمح باكتشاف مخاطر فشل البطارية قبل حدوثها، وبالتالي تحسين سلامة استخدام بطاريات NCA.
التأثير البيئي وإعادة تدوير أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم
إن القلق الرئيسي فيما يتعلق ببطاريات أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألمنيوم (NCA) هو تأثيرها البيئي أثناء عمليات التعدين وتصنيع المواد الأساسية وهي الليثيوم والنيكل والكوبالت والألمنيوم. إن عمليات استخراج هذه المواد من خلال التعدين تؤثر على التربة والمياه وتلوث الحياة البرية وموائلها والغازات المسببة للانحباس الحراري المنبعثة من الاستخراج والنقل. بالإضافة إلى ذلك، ظهرت أيضًا مخاوف بشأن انتهاكات حقوق الإنسان المرتبطة بالعمالة في بعض أجزاء العالم في تعدين الكوبالت.
إن إعادة تدوير بطاريات NCA من شأنه أن يساعد في الحد من بعض التأثيرات البيئية المذكورة أعلاه. فبدلاً من النفايات التقليدية، يتم استعادة معظم المعادن الثمينة بفضل طرق إعادة التدوير الفعّالة، ويجب تجنب الاستخراج الأولي قدر الإمكان لتقليل التأثير على البيئة. واعتمادًا على التكنولوجيا المستخدمة، يمكن تحقيق ما يصل إلى 90% من استعادة بطاريات الليثيوم، مما يتيح تدوير النيكل والكوبالت والمواد الأخرى، مما يكمل فكرة تعزيز دورة الحياة. بالإضافة إلى ذلك، تعمل نماذج المعالجة المائية والحلقة المغلقة لتكنولوجيا إعادة التدوير على تعزيز تأثيرات التخلص من البطاريات على البيئة. ونظرًا للزيادة في الاستخدام العالمي للسيارات الكهربائية وتخزين الطاقة المتجددة، فسيكون من الأهمية بمكان أن يكون لدينا أنظمة إعادة تدوير مناسبة من أجل الحفاظ على استدامة تكنولوجيا البطاريات.
كيف يتم إنتاج أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم وتسويقه؟
عمليات تصنيع مسحوق الكاثود NCA
هناك خطوات معينة يتم اتخاذها أثناء عملية إنتاج مسحوق الكاثود من أكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت والليثيوم (NCA).
- إعداد المواد الخام: يتم الحصول على مصادر الليثيوم عالية النقاء والتي تشمل كربونات الليثيوم وكبريتات النيكل وكبريتات الكوبالت ومركبات الألومنيوم الأولية.
- توليف: تعتبر طريقة الترسيب المشترك هي الوسيلة السائدة في تصنيع NCA وهي تتضمن ترسيب أملاح المعادن باستخدام عامل ترسيب يشكل مركب هيدروكسيد يتم ترشيحه وغسله وتجفيفه.
- التكليس: تتضمن هذه الخطوة التكليس في درجات حرارة عالية، تتراوح عمومًا بين 800 درجة مئوية إلى 1000 درجة مئوية، لمادة الهيدروكسيد المجففة. يساعد هذا في تحقيق البنية البلورية المطلوبة لـ NCA.
- الطحن والتحجيم: يتم نقع البروتين المطحون و/أو الببتون جيدًا في الماء المقطر بعد إضافة حجم الطمي الذي تم نخله، ويتم تحميص كل من حجم الطمي والرواسب المتكونة إلى حجم الجسيمات المناسب للاستخدام في البطاريات.
- التوصيف: بعد إنتاج مسحوق NCA، يتم بعد ذلك إخضاعه لمزيد من التوصيف لمسحوق NCA من حيث النشاط الكهروكيميائي والشكل والنقاء من أجل الامتثال لمعايير الاستخدام الصناعي.
تعتبر هذه العمليات مهمة لتوفير أفضل توصيل لمادة الكاثود المركبة NCA لتطبيقات تخزين الطاقة.
الحصص والاتجاهات العالمية في سوق بطاريات NCA
لقد شهدت سوق بطاريات أكسيد الألومنيوم والكوبالت والنيكل والليثيوم (NCA) على مستوى العالم زيادة بسبب المتطلبات المتزايدة لمصادر الطاقة الأكثر كفاءة فيما يتعلق باستخدامات المركبات الكهربائية وتطبيقات الطاقة. تشير أحدث الدراسات إلى أن بطاريات أكسيد الألومنيوم والنيكل والليثيوم (NCA) اكتسبت حصة سوقية وتستخدم على نطاق واسع في البطاريات لأغراض السيارات بسبب كثافتها العالية وكفاءتها في استخدام الطاقة. هناك اتجاهات سائدة للتنمية المستدامة بما في ذلك إعادة تدوير واستعادة مكونات البطاريات لتقليل التأثيرات البيئية. علاوة على ذلك، تستمر التحسينات في تقنيات البطاريات في تحسين عمرها الافتراضي وأدائها، مما يعزز قدرة أكسيد الألومنيوم والكوبالت على المنافسة في السوق. كان هناك عدد ملحوظ من مصنعي بطاريات أكسيد الألومنيوم والنيكل والليثيوم (NCA) الذين يستثمرون بشكل كبير في أنشطة البحث والتطوير من أجل تحسين الأداء وخفض تكاليف البطاريات، مما سيغير المشهد التنافسي في المستقبل القريب.
مجالات البحث والتطورات المستقبلية
من المرجح أن تتبنى الأبحاث المستقبلية في مجال تكنولوجيا بطاريات أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA) تكنولوجيا التصنيع المكثف. ومن بين مجالات التركيز هذه صياغة مواد كيميائية بديلة للبطاريات لتركيبات الكوبالت باهظة الثمن والتي تأتي مع انتقادات أخلاقية لاستخراجها. ويبحث الباحثون في بعض التركيبات الغنية بالنيكل وإضافة المنجنيز لتعزيز كثافة الطاقة دون المساس بالاستقرار الحراري.
كما أن تطوير البطاريات ذات الحالة الصلبة يعد تقدمًا بالغ الأهمية لا يمكن تجاهله. ومن المرجح أن تعمل هذه التكنولوجيا على تحسين كثافة الطاقة بسبب عدم استخدام الإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال كما هو الحال في البطاريات التقليدية، وهو ما يقلل أيضًا من بعض المخاوف المتعلقة بالسلامة. وعلاوة على ذلك، من المتوقع أيضًا أن يؤدي نمو أنظمة إدارة البطاريات الأكثر تقدمًا مع التحسينات المستمرة إلى تقدم الاستخدام المنتظم للبطاريات من خلال جعلها أكثر كفاءة من حيث التشغيل المتنوع والعمر الافتراضي.
كما أن تطوير نظام إعادة تدوير الحلقة المغلقة أمر ضروري لتحقيق استدامة التحسينات المذكورة أعلاه. كما يسعى الباحثون إلى تطبيق أجندة حيث يتم تطبيق الاقتصاد على هذه البطاريات بشكل دائري. وفي النهاية، سوف نشهد التوسع والاعتماد المتزايد على بطاريات NCA مع هذه التطورات في مجالات متنوعة، وخاصة قطاعي التنقل الكهربائي الديناميكي وتخزين الطاقة المتجددة.
مصادر مرجعية
أكسيدات الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم
الأسئلة المتداولة (الأسئلة الشائعة)
س: ما هو أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA)، ولماذا يتم تضمينه في بطاريات الليثيوم أيون؟
أ: أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم أو NCA يصنف على أنه مادة الكاثود في بطاريات الليثيوم عالية الطاقة. يتكون هذا المركب من أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم. NCA هو مادة قطب موجب لبطاريات الليثيوم أيون، ويوفر طاقة نوعية عالية نسبيًا وعمر دورة طويل. وبالتالي يجد تطبيقًا واسع النطاق في المجالات ذات المتطلبات العالية للأداء، مثل المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة.
س: فيما يتعلق بالأداء، ما هي الاختلافات بين NCA والمواد المماثلة الأخرى، بما في ذلك أكسيد الليثيوم والنيكل والمنجنيز والكوبالت (NMC) وأكسيد الليثيوم والمنجنيز (LMO)؟
ج: تتميز NCA بأداء جيد التحمل مع طاقة نوعية عالية ودورة حياة طويلة مقارنة بأكسيد الكوبالت والنيكل والمنجنيز والليثيوم (NMC) وأكسيد المنغنيز والليثيوم (LMO). وعلى الرغم من أن NMC وLMO يأتيان ببعض الفوائد من حيث التكلفة المنخفضة والاستقرار الحراري الجيد، فإن NCA تسمح بتصنيع بطاريات عالية الطاقة والأداء الفعال. وهذا يجعل NCA جذابة بشكل خاص في التطبيقات حيث تكون السعة الكبيرة والاستقرار طويل الأمد ضروريين، مثل المركبات الكهربائية لشركة Tesla.
س: ما هي الفوائد الرئيسية لاستخدام NCA مع بطاريات الليثيوم أيون؟
ج: تتمتع NCA في بطاريات الليثيوم أيون بطاقة نوعية عالية وسعة عالية وعمر دورة طويل وهي المزايا الرئيسية. تتميز كاثودات NCA بجهد عالي مما يزيد أيضًا من تخزين الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصميم البطاريات القائمة على NCA بشكل جيد بحيث تتمتع بثبات حراري جيد وخصائص أمان. تجعل الخصائص المذكورة NCA مناسبة للأجهزة عالية الطاقة حيث تكون كثافة الطاقة وعمر البطارية مهمين للغاية.
س: هل هناك أي عيوب لاستخدام NCA في بطاريات الليثيوم أيون؟
ج: يجب التأكيد على أن هناك أيضًا بعض العيوب التي يجب مناقشتها مع هذه التقنية. تحتوي بطاريات NCA على نسب عالية من النيكل، مما قد يؤثر على السعر مقارنة بالكاثودات الأخرى. كما أنها أكثر عرضة للرطوبة ودرجات الحرارة المرتفعة أثناء التصنيع والتخزين، مما قد يؤثر على العملية. من حيث السلامة، هناك مخاوف بشأن الانفلات الحراري لبطاريات NCA إذا لم يتم اتخاذ الاحتياطات الكافية. ومع ذلك، فإن أعمال البحث والتطوير وتطبيق العلاجات لهذه المشكلات جارية.
س: كيف يتفاعل الإلكتروليت مع NCA في بطاريات الليثيوم أيون؟
ج: في بطارية ليثيوم أيون نموذجية يكون قطبها الموجب هو NCA، يصبح الإلكتروليت مهمًا في توصيل أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود والعكس صحيح. وخاصة عند شحن الأقطاب وتفريغها، تتحرك أيونات الليثيوم عبر فاصل البطارية، وهو عبارة عن ملح ليثيوم في محلول عضوي. من الضروري اختيار الإلكتروليت وظروف تشغيله بشكل صحيح لجعله متوافقًا مع كاثود NCA وتوفير معدل نقل أيوني مرتفع مع الاستقرار الكيميائي والسلامة المناسبين.
س: ما هو الدور الذي يلعبه الأنود في بطاريات الليثيوم أيون المعتمدة على NCA؟
ج: في مثل هذه الحالة، يكون الأنود، على عكس الكاثود، من الجرافيت وليس تيتانات الليثيوم، وهو خيار متاح في بطاريات الليثيوم أيون القائمة على NCA في معظم الأحيان. يحمل الأنود شحنة سالبة، وفي عملية الشحن، تتراكم أيونات الليثيوم فيه، وأثناء التفريغ، تنطلق الأيونات. وفيما يتعلق بإلكترود NCA والفاصل - الهياكل الثلاثة على التوالي، يوجد على جانبهم الأمامي إلكتروليت - وهو الذي يمكّن من نقل الليثيوم إلى داخل وخارج الخلية وبالتالي يمكّن من تبادل أيونات الليثيوم، وهي آليات العمل الرئيسية لبطارية الليثيوم أيون. يتأثر أداء البطارية وسلامتها وعمر دورة حياتها باختيار مادة الأنود.
س: ما هو الجانب المتعلق بـ NCA في بطاريات الليثيوم أيون الذي لا يزال قيد التطوير، أو ما هي القضايا التي تتم دراستها؟
ج: تشمل أعمال البحث التي يتم إجراؤها حاليًا على NCA في بطاريات الليثيوم أيون تعزيز الاستقرار الحراري وجوانب السلامة، وزيادة كثافة الطاقة، وخفض تكاليف التصنيع. وقد اقترح إعداد تركيبات NCA البديلة عن طريق تطعيم العناصر المرغوبة أو تشكيل أغلفة أساسية باستخدام NCA. وقد شمل ذلك أيضًا إنتاج إلكتروليتات متقدمة أكثر توافقًا وإلكتروليتات-جارنيت، بالإضافة إلى واجهات غشاء إلكتروليت مع NCA. ومن المثير للاهتمام أيضًا ملاحظة أن طبقة NCA تم استخدامها في تطوير بطاريات الحالة الصلبة وأنظمة تخزين الطاقة الأخرى من الجيل التالي، مما يعزز من تحسين الأداء والسلامة.
س: ما هي عملية تصنيع مسحوق NCA، وما هي العوامل الحاسمة أثناء تصنيعه؟
ج: عادة ما يتم تصنيع مسحوق NCA باستخدام سلسلة من الطرق الكيميائية مثل الترسيب المشترك والتكليس والطحن. تشمل عوامل إنتاج NCA التحكم الصحيح في حجم الجسيم وشكل وتركيبه. يجب أن يتم تنفيذ مسار الإنتاج في غرفة نظيفة لتجنب التلوث الناتج عن الرطوبة وعوامل أخرى ولضمان الجودة المتسقة. على الرغم من أن حجب مسحوق NCA ضروري لخصائصه التشغيلية، إلا أنه يعالج أيضًا قضايا الدعم اللوجستي للمسحوق. إنه مصدر قلق متزايد للمصنعين أنه مع توسيع نطاق تصنيع خلايا الليثيوم أيون، تنخفض التكاليف، ولكن هناك دائمًا تحديات في ضمان الجودة.
