Cost, volumetric energy density, and fast-charging projections of Na-ion and Li-ion batteries from a European perspective

تعتمد المركبات الكهربائية التي تعيد تشكيل طرقنا ببطء على مكون واحد حاسم: البطارية. لأكثر من عقد من الزمان، هيمنت بطاريات الليثيوم أيون على الصناعة، وهي بطاريات تخزن الطاقة في خلايا مصنوعة من معادن محددة مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل. هذه البطاريات قوية وفعالة، لكنها تعتمد على مواد باهظة الثمن وصعبة المصدر أحياناً. وبينما يتطلع العالم إلى كهربة المزيد من وسائل النقل، بدأ العلماء والمهندسون في البحث عن خطة بديلة. أحد البدائل الواعدة هو بطارية الصوديوم أيون. فبدلاً من استخدام الليثيوم النادر، تستخدم هذه الخلايا الصوديوم، وهو عنصر شائع موجود في الملح، مقترناً بمعادن وفيرة أخرى مثل الحديد والمنغنيز. الفكرة هي أننا إذا تمكنا من بناء بطاريات من مواد متوفرة في كل مكان ورخيصة، فقد نتمكن من تشغيل سياراتنا بتكلفة أقل. ومع ذلك، مجرد كون المادة رخيصة لا يعني بالضرورة أن المنتج النهائي سيكون أفضل. الاختبار الحقيقي يكمن في ما إذا كانت هذه البطاريات الجديدة قادرة على تخزين طاقة كافية لقيادة سيارة لمسافة طويلة والشحن بسرعة كافية لتناسب حياة مزدحمة، كل ذلك مع التكلفة الأقل من نسخ الليثيوم التي تأمل استبدالها.

قرر فريق من الباحثين من شركة فولكس فاجن ومعهد كارلسروه للتكنولوجيا في ألمانيا وضع هذا السؤال قيد الاختبار من خلال تحقيق دقيق يعتمد على الكمبيوتر. لم يقوموا ببناء بطارية فيزيائية واحدة في المختبر؛ بل قاموا ببناء نموذج رقمي مفصل لعملية التصنيع بأكملها. لقد قاموا بمحاكاة إنشاء ما يقرب من 4500 تصميم مختلف لخلايا البطاريات، عبر خلط ومطابقة مواد وطرق إنتاج متنوعة لمعرفة كيفية أدائها في العالم الحقيقي. كان هدفهم هو إيجاد التوازن المثالي بين ثلاثة عوامل متنافسة: تكلفة صنع البطارية، وكمية الطاقة التي يمكنها تخزينها في مساحة معينة، وسرعة إعادة شحنها. وقد ركزوا بشكل خاص على نوعين من البطاريات: المعيار الحالي، الذي يستخدم مادة تعتمد على الليثيوم تسمى LFP، والمنافس الناشئ، وهي بطارية الصوديوم أيون، التي تستخدم أكسيد معدني طبقي ومادة الكربون الصلب لجانبها السالب.

أجرى الباحثون عمليات المحاكاة الخاصة بهم عبر ثلاثة سيناريوهات إنتاج لفهم كيفية تأثير الجغرافيا على النتيجة. لقد صمموا سيناريو يتم فيه تصنيع كل شيء في الصين، وسيناريو تأتي فيه المواد الخام من الصين بينما تتم عملية التجميع النهائي في أوروبا، وسيناريو يتم فيه بناء سلسلة التوريد بالكامل داخل أوروبا. كان هذا النهج حاسماً لأن تكلفة الطاقة والعمالة والمواد الخام تختلف بشكل كبير بين هذه المناطق. رسمت النتائج صورة واضحة، وإن كانت معقدة بعض الشيء. أظهرت عمليات المحاكاة أن بطاريات الصوديوم أيون يمكن بالفعل جعلها تكلف مثل بطاريات الليثيوم أيون الأفضل، ولكن فقط إذا ارتفع سعر كربونات الليثيوم بشكل كبير أو إذا خضعت بطاريات الصوديوم لمزيد من التحسينات. في السوق الحالية، حيث انخفضت أسعار الليثيوم، لا تتمتع بطاريات الصوديوم بميزة تكلفة طبيعية.

عندما نظر الباحثون في الأداء الفيزيائي لهذه الخلايا المحاكات، أصبح من المستحيل تجنب المقايضة. لجعل بطاريات الصوديوم أيون رخيصة بما يكفي للمنافسة، كان على التصميم التضحي بالمساحة والسرعة. تمكنت خلايا الصوديوم من مطابقة تكلفة منافسيها من الليثيوم، لكنها لم تستطع حشد قدر من الطاقة في نفس الحجم. وهذا يعني أن السيارة التي تستخدم هذه البطاريات ستكون إما أثقل وزناً أو ذات مدى قيادة أقصر لنفس حجم حزمة البطارية. علاوة على على ذلك، كانت أوقات الشحن أطول. فالمادة المستخدمة للجانب السالب لبطارية الصوديوم، والمعروفة باسم الكربون الصلب، لها بنية تجعل من الصعب على الأيونات التحرك من خلالها بسرعة مقارنة بالجرافيت المستخدم في بطاريات الليثيوم. وهذا يخلق عنق زجاجة أثناء الشحن السريع، مما يجبر البطارية على الشحن ببطء أكبر لتجنب التلف. وجدت الدراسة أنه حتى مع التصاميم المتقدمة، كافحت بطاريات الصوديوم للوصول إلى سرعات الشحن السريع التي يتوقعها سائقو السيارات الكهربائية المعاصرون.

لعب موقع الإنتاج دوراً هائلاً في الأرقام النهائية. كان الخيار الأكثر توفيراً في كل عملية محاكاة هو تصنيع سلسلة التوريد بأكملها في الصين واستيراد الخلايا الجاهزة إلى أوروبا. ونقل عملية التجميع النهائي لخلايا البطارية إلى أوروبا، مع الاستمرار في استيراد المواد الخام، أدى إلى زيادة التكلفة بنسبة عشرة إلى أربعة عشر بالمائة. وإذا حاولت أوروبا بناء سلسلة توريد مستقلة تماماً، من خلال الحصول على جميع المواد ومعالجتها محلياً، فستقفز التكلفة بنسبة تقارب خمسة وعشرين بالمائة. هذا الارتفاع في التكلفة مدفوع بأسعار الطاقة والعمالة المرتفعة في أوروبا، فضلاً عن غياب شبكة صناعية قائمة لهذه المواد المحددة. تشير الدراسة إلى أنه لكي تتمكن أوروبا من المنافسة في التكلفة مع الواردات الصينية، سيتعين عليها قبول أسعار أعلى أو إيجاد طريقة لتقليل تكاليف الإنتاج الخاصة بها بشكل جذري.

نظر الباحثون أيضاً عن كثب في المواد نفسها لمعرفة أين تُنفق الأموال. واكتشفوا أن الكربون الصلب المستخدم في بطاريات الصوديوم أيون هو حالياً محرك رئيسي للتكلفة. فبينما يُروج له غالباً كبديل رخيص للجرافيت، فإن الأنواع المحددة من الكربون الصلب المستخدمة في هذه المحاكاة، والتي غالباً ما تُشتق من قشور جوز الهند المستوردة من جنوب شرق آسيا، مكلفة في المعالجة والتنقية. أشارت عمليات المحمانة إلى أنه ما لم تتمكن أوروبا أو الصين من تطوير إنتاج واسع النطاق ومحلي للكربون الصلب من مصادر محلية أرخص مثل نفايات الخشب أو الخيزران، فإن ميزة التكلفة لبطاريات الصوديوم ستظل بعيدة المنال. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم الجانب الإيجابي لبطارية الصوديوم النيكل، وهو معدن يخضع لنفس التقلبات السعرية التي يخضع لها الليثي في البطاريات التقليدية. وهذا يعني أن الوعد بأن تكون بطاريات الصوديوم أيون محصنة ضد تقلبات أسعار المواد الخام ليس صحيحاً تماماً؛ فهي ببساطة تستبدل معدناً باهظ الثمن بآخر.

رغم هذه العقبات، لا تستبعد الدراسة مستقبل تكنولوجيا الصوديوم أيون. أظهرت عمليات المحاكاة أنه إذا ارتفع سعر الليثيوم مرة أخرى إلى المستويات التي شهدتها السنوات الماضية، فستصبح بطاريات الصوديوم الخيار الأرخص على الفور. علاوة على ذلك، حدد الباحثون أنه من خلال تحسين كثافة الطاقة لخلايا الصوديوم — أي جعلها تخزن طاقة أكبر في مساحة أقل — ستصبح أكثر تنافسية، خاصة في المصانع الأوروبية حيث تكاليف الإنتاج مرتفعة. تشير الدراسة إلى أن أوروبا يمكنها نظرياً اكتساب موطئ قدم في هذه التكنولوجيا من خلال الاستفادة من خبرتها الحالية في تصنيع أنواع أخرى من البطاريات وتكييف خطوط الإنتاج تلك لإنتاج الصوديوم أيون. ومع ذلك، يتطلب هذا المسار استثماراً كبيراً واستعداداً لقبول حقيقة أن هذه التكنولوجيا ليست بعد بديلاً مثالياً جاهزاً للاستخدام المباشر بدلاً من معيار الليثيوم الحالي.

في النهاية، يوفر هذا العمل خارطة طريق واقعية للعقد القادم من تطوير البطاريات. إنه يؤكد أنه بينما تعد بطاريات الصوديوم أيون جزءاً حيوياً وضرورياً لمزيج الطاقة المستقبلي، إلا أنها ليست حلاً سحرياً سيخفض التكاليف أو يحسن الأداء فوراً. إنها أداة مختلفة بخصائص ونقاط ضعف مختلفة. ولكي تنجح هذه التكنولوجيا، يجب على الشركات المصنعة حل تحديات إنتاج الكربون الصلب وتحسين السرعة التي يمكن بها شحن هذه الخلايا. وحتى يتم حل هذه المشكلات الهندسية، ستظل بطارية الليثيوم أيون هي القوة المهيمنة، مع بقاء الصوديوم أيون في الانتظار، مستعدة للتدخل إذا تغيرت اقتصاديات السوق أو إذا نضجت التكنولوجيا بما يكفي لسد الفجوة. وتعمل الدراسة كتذكير بأنه في عالم تكنولوجيا البطاريات، لا توجد طرق مختصرة، بل توجد فقط مقايضات دقيقة بين التكلفة والطاقة والسرعة.