كل ما تحتاج معرفته عن بطاريات النيكل في السيارات الكهربائية

تُعتبر بطاريات النيكل من أبرز الابتكارات التقنية التي أثرت على صناعة السيارات، لا سيما السيارات الهجينة والكهربائية. أصبحت هذه البطاريات جزءًا أساسيًا من المحركات التي تعتمد على الطاقة النظيفة، وهي تُستخدم لزيادة فعالية الأداء وتقليل الانبعاثات الضارة. من المهم أن نتعرف على كيفية عمل بطاريات النيكل، مزاياها وعيوبها، وكذلك أنواعها المختلفة التي تُستخدم في السيارات حول العالم.

ما هي بطاريات النيكل في السيارات؟

بطاريات النيكل هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن، والتي تعتمد على مركبات النيكل والكادميوم أو النيكل والهيدريد المعدني لتخزين الطاقة. عادة ما تُستخدم في السيارات الهجينة، حيث تعمل جنبًا إلى جنب مع المحركات الكهروضوئية لتقديم أداء عالٍ بكفاءة أكبر. يتميز هذا النوع من البطاريات بعمره الطويل وقدرته على تقديم تيارات كهربائية عالية في فترات زمنية قصيرة.

بطاريات السيارات التي تحتوي على النيكل:

تُعد بطاريات السيارات التي تحتوي على النيكل من أبرز الابتكارات في عالم الطاقة والتخزين الكهربائي، حيث لعبت دورًا محوريًا في تطوير أنظمة النقل منذ أكثر من قرن، ولا تزال حتى اليوم جزءًا أساسيًا من صناعة البطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية والهجينة.

لمحة تاريخية عن بطاريات النيكل:

تعود بداية بطاريات النيكل إلى عام 1899 حين قام المهندس السويدي إرنست فالديمار يونغنر باختراعها في وقت كانت فيه بطاريات الرصاص الحمضية الخيار الوحيد المتاح.
تميزت بطاريات النيكل منذ البداية بعمرها التشغيلي الطويل مقارنةً بغيرها، ما جعلها خيارًا مثاليًا لتشغيل السيارات في أوائل القرن العشرين. ومع مرور السنوات، تطورت تقنيات هذه البطاريات وظهرت أنواع مختلفة منها، مثل بطاريات النيكل-كادميوم والنيكل-هيدريد المعدني، والتي استخدمت على نطاق واسع في قطاع السيارات.

استخراج النيكل لصناعة البطاريات:

يُستخرج النيكل من المناجم المنتشرة في أكثر من 25 دولة حول العالم، حيث يُعتبر عنصرًا أساسيًا في إنتاج بطاريات السيارات الكهربائية والهجينة.
تتنوع خامات النيكل المستخرجة، ولكل نوع طرق معالجة خاصة به تتيح استخدامه في تطوير البطاريات ذات الكفاءة العالية التي تلبي متطلبات السيارات الحديثة.

إعادة تدوير النيكل وأهميته:

من أبرز مزايا النيكل أنه قابل لإعادة التدوير بشكل كامل دون فقدان جودته. إذ يمكن استخدام النيكل المستخرج من البطاريات القديمة لإنتاج بطاريات جديدة بكفاءة عالية.
هذا الأمر لا يُعد ميزة اقتصادية فقط، بل يُسهم أيضًا في دعم الاستدامة البيئية من خلال تقليل الاعتماد على التعدين وتقليل النفايات الصناعية، ما يجعله خيارًا صديقًا للبيئة يتماشى مع أهداف التحول نحو الطاقة النظيفة.

أنواع البطاريات التي تحتوي على النيكل في السيارات الكهربائية والهجينة:

تُعتبر بطاريات النيكل من أبرز التقنيات المستخدمة في عالم السيارات الكهربائية والهجينة، حيث تتميز بتنوع أنواعها وفقًا لتركيبتها الكيميائية، مما يجعلها قادرة على تلبية متطلبات مختلفة من الأداء والكفاءة. وفيما يلي نستعرض أهم أنواع البطاريات التي تحتوي على النيكل مع مميزاتها وعيوبها:

1- بطاريات النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC):

بطاريات النيكل والمنغنيز والكوبالت أو ما يُعرف بـNickel Manganese Cobalt تُعد من أكثر أنواع البطاريات انتشارًا في السيارات الكهربائية الحديثة. فهي تجمع بين النيكل والمنغنيز والكوبالت في تركيب الكاثود لتحقيق توازن مثالي بين الكفاءة والأداء.

مميزاتها:

• طاقة عالية تُناسب احتياجات السيارات الكهربائية.

• عدد دورات شحن مرتفع يضمن عمرًا أطول.

• مستوى أمان أفضل مقارنة ببعض الأنواع الأخرى.

• إمكانية تخزين كمية كبيرة من الطاقة في حجم صغير.

عيوبها:

• سعتها أقل عند مقارنتها ببعض أنواع بطاريات الليثيوم أيون الأخرى.

• احتواؤها على الكوبالت، وهو معدن نادر وضار بالبيئة.

• تكلفة مرتفعة بسبب صعوبة استخراج الكوبالت.

• سرعة التدهور عند التعرض لدرجات حرارة عالية.

• حاجتها لأنظمة تبريد وإدارة حرارية متقدمة لتفادي الهروب الحراري.

2- بطاريات النيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA):

بطاريات النيكل والكوبالت والألومنيوم أو Nickel Cobalt Aluminum تُعتبر خيارًا آخر متطورًا ضمن عائلة بطاريات الليثيوم أيون، حيث يتم استبدال المنغنيز بالألومنيوم لتعزيز الاستقرار. تُستخدم هذه البطاريات بشكل واسع في السيارات الكهربائية والهجينة القابلة لإعادة الشحن.

مميزاتها:

• كثافة طاقة مرتفعة تُتيح مدى قيادة أطول.

• إمكانية شحن سريعة مقارنة بغيرها.

• عمر افتراضي طويل مع عدد كبير من دورات الشحن.

• أداء أفضل من بطاريات أكسيد الليثيوم والكوبالت التقليدية.

عيوبها:

• ارتفاع تكلفتها بسبب اعتمادها على الكوبالت.

• غير صديقة للبيئة نتيجة آثار استخراج الكوبالت.

• حاجتها لأنظمة إدارة بطاريات متقدمة للتحكم بالحرارة والجهد والتيار بسبب محتواها العالي من النيكل.

3- بطاريات هيدريد النيكل والمعدن (NiMH):

تُعد بطاريات هيدريد النيكل والمعدن أو Nickel-Metal Hydride من أقدم وأشهر أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي استُخدمت على نطاق واسع، خصوصًا في السيارات الهجينة. تعتمد في تكوينها على هيدروكسيد النيكل كقطب موجب وسبيكة ماصة للهيدروجين كقطب سالب، مع محلول هيدروكسيد البوتاسيوم كإلكتروليت.

مميزاتها:

• تكلفة أقل نسبيًا مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون.

• كثافة طاقة جيدة وتخزين أكبر للطاقة في نفس الحجم.

• عمر افتراضي طويل مع عدد كبير من دورات الشحن.

• صديقة للبيئة لعدم احتوائها على الكادميوم السام.

عيوبها:

• وزنها أثقل وحجمها أكبر مقارنة بالبطاريات الحديثة.

• عمرها الافتراضي يتأثر بالحرارة المرتفعة.

• تفقد جزءًا من شحنتها تدريجيًا حتى عند عدم الاستخدام.

• ظاهرة "تأثير الذاكرة" تقلل من سعتها الفعالة إذا لم تُفرغ شحنتها بالكامل قبل إعادة الشحن.

ما مزايا بطاريات النيكل المستخدمة في السيارات؟

تتميز بطاريات النيكل بالعديد من الخصائص التي تجعلها مناسبة للاستخدام في السيارات خصوصًا الهجينة والكهربائية. ومن أبرز هذه المزايا:

1. قدرة تحمل عالية:

بطاريات النيكل تمتلك قدرة فائقة على تحمل الصدمات الحرارية والميكانيكية. هذا يجعلها مناسبة للظروف القاسية التي يمكن أن تواجهها السيارات أثناء القيادة اليومية أو السفر لمسافات طويلة.

2. عمر افتراضي طويل:

تُعتبر بطاريات النيكل من بين أكثر أنواع البطاريات متانة. يمكنها الاستمرار لفترات طويلة، تحديدا في السيارات الهجينة، حيث تتحمل عددًا كبيرًا من دورات الشحن والتفريغ دون فقدان كبير في الأداء.

3. أداء متميز في درجات الحرارة المختلفة:

من بين البطاريات الأخرى، تُظهر بطاريات النيكل أداءً جيدًا في درجات الحرارة المنخفضة والمرتفعة. على سبيل المثال، في الدراسات الميدانية، أظهرت هذه البطاريات احتفاظها بكفاءتها في البيئات ذات المناخ البارد مثل كندا والدول الإسكندنافية.

4. مناسب للأداء السريع:

نظرًا لقدرتها على تقديم تفريغ كهربائي عالي في وقت قصير، تُعد بطاريات النيكل مثالية للسيارات التي تحتاج إلى تسارع سريع أو أداء فوري.

ما هي عيوب بطاريات النيكل؟

ورغم مميزاتها، إلا أن بطاريات النيكل ليست خالية من العيوب. يجب على المستخدمين أخذ هذه الجوانب في الاعتبار قبل الاعتماد عليها في سياراتهم.

1. التكلفة العالية:

تعتبر تكلفة إنتاج بطاريات النيكل مرتفعة نسبيًا، خاصة بطاريات NiMH. هذا قد ينعكس على سعر السيارات التي تعتمد عليها، مما يجعلها مرتفعة التكلفة بالنسبة لبعض المستهلكين.

2. الوزن الثقيل:

مقارنةً بالبطاريات الأخرى مثل الليثيوم أيون، تتميز بطاريات النيكل بأنها أثقل وزنًا. قد يكون هذا عائقًا عند تصميم سيارات ذات وزن خفيف لتحسين كفاءتها.

3. تأثير الذاكرة:

تعاني بطاريات النيكل والكادميوم من مشكلة تُعرف بـ "تأثير الذاكرة"، وهي فقدان القدرة إذا لم تُشحن البطارية بشكل كامل أو تُفرغ بشكل منتظم.

4. تأثير بيئي:

رغم أن بطاريات NiMH أقل ضررًا على البيئة، إلا أن بطاريات NiCd تُعتبر ملوثًا بيئيًا نظرًا لاحتوائها على الكادميوم السام.

استخدامات بطاريات النيكل في السيارات:

تُستخدم بطاريات النيكل على نطاق واسع في السيارات الهجينة والسيارات الكهربائية، حيث تُساهم في تحسين كفاءة الوقود وزيادة مدى القيادة. كما تُستخدم في السيارات التي تحتاج إلى دعم كهربائي فوري مثل السيارات الرياضية.

أمثلة على سيارات تستخدم بطاريات النيكل:

من أفضل الأمثلة على السيارات التي تستخدم بطاريات النيكل هي تويوتا بريوس، حيث اعتمدت على بطاريات NiMH لتحقق أداءً عاليًا منذ إطلاقها. كذلك، اعتمدت سيارات أخرى مثل هوندا إنسايت على نفس النوع من البطاريات لتحقيق التوازن بين الأداء والكفاءة.

تطور تكنولوجيا بطاريات النيكل:

تسعى الشركات المصنعة لتطوير بطاريات النيكل لتلبية الطلب المستمر على تحسين الأداء وتقليل التكلفة. تشمل التطورات الحالية تحسين كثافة الطاقة، وزيادة سرعة الشحن، وتقليل التأثير البيئي. من بين الأمثلة البارزة على هذا التطور، هو التعاون بين مؤسسات الأبحاث والشركات الرائدة مثل تويوتا وLG Chem لتطوير تقنيات بطاريات مستدامة.

التقنيات المستقبلية:

يُركز الباحثون حاليًا على تحسين تصميم البطاريات من خلال استخدام مواد نانوية وتقنيات متقدمة يمكن أن تُضاعف من كفاءتها مقارنةً بالجيل الحالي. تشير الدراسات إلى إمكانية تحقيق زيادة في سعة الطاقة بأكثر من 50% خلال السنوات الخمس المقبلة.

دور الحكومات في دعم بطاريات النيكل:

تلعب الحكومات دورًا رئيسيًا في دعم تطوير واعتماد بطاريات النيكل من خلال تقديم حوافز للسيارات الكهربائية والهجينة. على سبيل المثال، قامت حكومة اليابان بتقديم دعم مالي كبير لشركات تصنيع البطاريات لضمان تحسين تقنياتها وتوفيرها بأسعار تنافسية.

تظل بطاريات النيكل عنصرًا حيويًا في صناعة السيارات، حيث تواصل الشركات والمؤسسات التركيز على تطويرها لتلبية احتياجات السوق المتزايدة. بفضل مزاياها العديدة وابتكاراتها المستقبلية، من المتوقع أن تبقى بطاريات النيكل خيارًا رئيسيًا في مجال التنقل الكهربائي في السنوات المقبلة.