بطارية LiFePO4

بطارية فوسفات الحديد الليثيوم هي بطارية ليثيوم أيون تستخدم فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) كمادة قطب موجب والكربون كمادة قطب سالب.
أثناء عملية الشحن، تُستخرج بعض أيونات الليثيوم من فوسفات حديد الليثيوم، وتُنقل إلى القطب السالب عبر الإلكتروليت، وتُدمج في مادة الكربون الخاصة به؛ وفي الوقت نفسه، تُطلق الإلكترونات من القطب الموجب لتصل إلى القطب السالب من الدائرة الخارجية للحفاظ على توازن التفاعل الكيميائي. أثناء عملية التفريغ، تُستخرج أيونات الليثيوم من القطب السالب وتصل إلى القطب الموجب عبر الإلكتروليت. وفي الوقت نفسه، يُطلق القطب السالب الإلكترونات ويصل إلى القطب الموجب من الدائرة الخارجية لتوفير الطاقة للعالم الخارجي.
تتمتع بطاريات LiFePO4 بمزايا الجهد العالي للعمل، وكثافة الطاقة العالية، وعمر الدورة الطويل، والأداء الجيد للسلامة، ومعدل التفريغ الذاتي المنخفض وعدم وجود تأثير الذاكرة.
الميزات الهيكلية للبطارية
الجانب الأيسر من بطارية فوسفات حديد الليثيوم عبارة عن قطب موجب مصنوع من مادة LiFePO4 ذات بنية أوليفينية، ومتصل بالقطب الموجب للبطارية بواسطة رقاقة ألومنيوم. على اليمين، القطب السالب للبطارية مصنوع من الكربون (الجرافيت)، ومتصل بالقطب السالب للبطارية بواسطة رقاقة نحاسية. في المنتصف، يوجد فاصل بوليمر يفصل القطب الموجب عن السالب، ويمكن لأيونات الليثيوم المرور عبر الفاصل، بينما لا تستطيع الإلكترونات المرور. الجزء الداخلي من البطارية مملوء بالإلكتروليت، والبطارية مغلقة بإحكام بغلاف معدني.

مميزات بطارية فوسفات الحديد الليثيوم
كثافة طاقة أعلى

وفقًا للتقارير، تبلغ كثافة الطاقة لبطارية فوسفات الحديد الليثيوم ذات الغلاف الألومنيومي المربع، المُنتجة بكميات كبيرة في عام ٢٠١٨، حوالي ١٦٠ واط/كجم. في عام ٢٠١٩، من المرجح أن يصل بعض مصنعي البطاريات المتميزين إلى مستوى يتراوح بين ١٧٥ و١٨٠ واط/كجم. بفضل تطوير تقنية الرقاقة وسعتها، يمكن تحقيق ١٨٥ واط/كجم.
أداء أمان جيد
يتميز الأداء الكهروكيميائي لمادة الكاثود في بطارية فوسفات الحديد الليثيوم باستقرار نسبي، مما يضمن استقرار منصة الشحن والتفريغ. لذلك، لا يتغير هيكل البطارية أثناء الشحن والتفريغ، ولا تحترق أو تنفجر. كما أنها آمنة للغاية في ظل ظروف خاصة مثل الشحن والضغط والوخز بالإبر.

دورة حياة طويلة

يصل عمر دورة حياة بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (1C) عادةً إلى 2000 مرة، بل وأكثر من 3500 مرة، بينما يتطلب سوق تخزين الطاقة أكثر من 4000-5000 مرة، مما يضمن عمر خدمة يتراوح بين 8 و10 سنوات، وهو أعلى من عمر بطاريات الثلاثية (1000 دورة). أما عمر دورة حياة بطاريات الرصاص الحمضية طويلة العمر، فيبلغ حوالي 300 مرة.
التطبيقات الصناعية لبطارية فوسفات الحديد الليثيوم

تطبيق صناعة المركبات ذات الطاقة الجديدة

تقترح "خطة تطوير صناعة المركبات الموفرة للطاقة والطاقة الجديدة" في بلدي أن "الهدف العام لتطوير مركبات الطاقة الجديدة في بلدي هو: بحلول عام 2020، سيصل الإنتاج والمبيعات التراكمية لمركبات الطاقة الجديدة إلى 5 ملايين وحدة، وأن يحتل حجم صناعة مركبات الطاقة الجديدة الموفرة للطاقة في بلدي مكانة رائدة عالميًا". تُستخدم بطاريات فوسفات الليثيوم والحديد على نطاق واسع في سيارات الركاب، وسيارات الركاب، والمركبات اللوجستية، والمركبات الكهربائية منخفضة السرعة، وغيرها، نظرًا لمزاياها المتعلقة بالسلامة الجيدة والتكلفة المنخفضة. تحتل البطاريات الثلاثية، المتأثرة بالسياسات، مكانة بارزة بفضل كثافة الطاقة، إلا أن بطاريات فوسفات الليثيوم والحديد لا تزال تتمتع بمزايا لا تُضاهى في سيارات الركاب، والمركبات اللوجستية، وغيرها من المجالات. في مجال سيارات الركاب، شكلت بطاريات فوسفات حديد الليثيوم حوالي 76% و81% و78% من الدفعات الخامسة والسادسة والسابعة من "كتالوج النماذج الموصى بها لترويج وتطبيق مركبات الطاقة الجديدة" (المشار إليه فيما يلي باسم "الكتالوج") في عام 2018. %، ولا تزال هذه النسبة هي السائدة. في مجال المركبات الخاصة، شكلت بطاريات فوسفات حديد الليثيوم حوالي 30% و32% و40% من الدفعات الخامسة والسادسة والسابعة من "الكتالوج" في عام 2018 على التوالي، وقد ازدادت نسبة التطبيقات تدريجيًا.
يعتقد يانغ يوشينغ، الأكاديمي في الأكاديمية الصينية للهندسة، أن استخدام بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم في سوق السيارات الكهربائية ذات المدى البعيد لا يُحسّن سلامة المركبات فحسب، بل يدعم أيضًا تسويقها، مُقلّلًا من استهلاك الوقود، وتكاليف السلامة، والتكلفة، والقلق بشأن الشحن، ومشاكل البطاريات اللاحقة، وغيرها. خلال الفترة من 2007 إلى 2013، أطلقت العديد من شركات السيارات مشاريع سيارات كهربائية ذات مدى بعيد.

ابدأ التطبيق على الطاقة

بالإضافة إلى خصائص بطاريات الليثيوم عالية الأداء، تتميز بطارية فوسفات حديد الليثيوم المُشغلة بقدرتها على إنتاج طاقة عالية بشكل فوري. استُبدلت بطارية الرصاص الحمضية التقليدية ببطارية ليثيوم عالية الأداء بطاقة أقل من كيلوواط/ساعة، واستُبدل محرك التشغيل والمولد التقليديان بمحرك BSG. لا تقتصر وظائف هذه البطارية على تشغيل المحرك وإيقافه أثناء الخمول، بل تشمل أيضًا إيقاف تشغيل المحرك والسير بسرعة منخفضة، واستعادة طاقة السير بسرعة منخفضة والكبح، ومعزز التسارع، ونظام تثبيت السرعة الكهربائي.

التطبيقات في سوق تخزين الطاقة

تتمتع بطارية LiFePO4 بسلسلة من المزايا الفريدة مثل الجهد العالي للعمل، وكثافة الطاقة العالية، ودورة الحياة الطويلة، ومعدل التفريغ الذاتي المنخفض، وعدم وجود تأثير للذاكرة، وحماية البيئة الخضراء، وما إلى ذلك، وتدعم التوسع المستمر، ومناسبة لتخزين الطاقة الكهربائية على نطاق واسع، في محطات الطاقة المتجددة لديها آفاق تطبيق جيدة في مجالات الاتصال الآمن بشبكة توليد الطاقة، وتنظيم ذروة شبكة الطاقة، ومحطات الطاقة الموزعة، وإمدادات الطاقة UPS، وأنظمة إمداد الطاقة في حالات الطوارئ.
وبحسب أحدث تقرير لتخزين الطاقة أصدرته مؤخرًا شركة GTM Research، وهي منظمة أبحاث السوق الدولية، فإن تطبيق مشاريع تخزين الطاقة على جانب الشبكة في الصين في عام 2018 استمر في زيادة استهلاك بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم.
مع نمو سوق تخزين الطاقة، بادرت بعض شركات بطاريات الطاقة في السنوات الأخيرة إلى توسيع نطاق أعمالها في مجال تخزين الطاقة لفتح أسواق تطبيقات جديدة لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم. فمن جهة، بفضل خصائصها المتمثلة في العمر الطويل للغاية، والاستخدام الآمن، والسعة الكبيرة، والحماية البيئية الخضراء، يُمكن نقل فوسفات الحديد الليثيوم إلى مجال تخزين الطاقة، مما سيوسع سلسلة القيمة ويعزز إرساء نموذج أعمال جديد. ومن جهة أخرى، أصبح نظام تخزين الطاقة الذي يدعم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم الخيار السائد في السوق. ووفقًا للتقارير، فقد جُرِّبت بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم لاستخدامها في الحافلات الكهربائية، والشاحنات الكهربائية، وفي تنظيم التردد من جانب المستخدم ومن جانب الشبكة.
١. يرتبط توليد الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية، بشكل آمن بالشبكة الكهربائية. إن العشوائية المتأصلة في توليد طاقة الرياح، وانقطاعها، وتقلبها، تُحدد أن تطويرها على نطاق واسع سيؤثر حتمًا بشكل كبير على التشغيل الآمن لشبكة الطاقة. مع التطور السريع لصناعة طاقة الرياح، وخاصةً أن معظم مزارع الرياح في بلدي تُصنف ضمن "التطوير المركزي واسع النطاق والنقل لمسافات طويلة"، فإن توليد الطاقة المتصل بالشبكة في مزارع الرياح الكبيرة يُشكل تحديات جسيمة لتشغيل شبكات الطاقة الكبيرة والتحكم فيها.
يتأثر توليد الطاقة الكهروضوئية بدرجة الحرارة المحيطة وشدة الضوء الشمسي وظروف الطقس، كما يتميز توليد الطاقة الكهروضوئية بالتقلبات العشوائية. ويمثل بلدي اتجاهًا تنمويًا يتمثل في "التنمية اللامركزية، والوصول إلى الجهد المنخفض في الموقع" و"التنمية واسعة النطاق، والوصول إلى الجهد المتوسط ​​والعالي"، مما يطرح متطلبات أعلى لتنظيم ذروة شبكة الطاقة والتشغيل الآمن لأنظمة الطاقة.
لذلك، أصبحت منتجات تخزين الطاقة ذات السعة الكبيرة عاملاً رئيسياً في حل التناقض بين الشبكة وتوليد الطاقة المتجددة. يتميز نظام تخزين الطاقة ببطاريات فوسفات الحديد الليثيوم بسرعة تحويل ظروف العمل، ومرونة وضع التشغيل، وكفاءة عالية، وسلامة وحماية البيئة، وقابلية توسع عالية. يُحسّن التحكم المحلي في الجهد موثوقية توليد الطاقة المتجددة وجودتها، مما يجعل الطاقة المتجددة مصدر طاقة مستمراً ومستقراً.
مع التوسع المستمر في السعة والحجم، والتطور المستمر للتكنولوجيا المتكاملة، ستنخفض تكلفة أنظمة تخزين الطاقة بشكل أكبر. بعد اختبارات السلامة والموثوقية طويلة الأمد، من المتوقع استخدام أنظمة تخزين الطاقة ببطاريات فوسفات الحديد الليثيوم في الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية. وقد استُخدمت على نطاق واسع في ربط شبكات توليد الطاقة بشكل آمن وتحسين جودة الطاقة.
تنظيم ذروة شبكة الكهرباء. لطالما كانت محطات توليد الطاقة بالضخ والتخزين الوسيلة الرئيسية لتنظيم ذروة شبكة الكهرباء. ونظرًا لحاجة محطات توليد الطاقة بالضخ والتخزين إلى بناء خزانين، الخزان العلوي والخزان السفلي، وهما محدودان جغرافيًا بشكل كبير، يصعب بناؤهما في المناطق السهلية، بالإضافة إلى اتساع المساحة وارتفاع تكاليف الصيانة. لذا، فإن استخدام نظام تخزين طاقة بطاريات فوسفات الليثيوم والحديد بدلًا من محطات توليد الطاقة بالضخ، سيلعب دورًا هامًا في تنظيم ذروة شبكة الكهرباء، دون التقيد بالظروف الجغرافية، وسهولة اختيار الموقع، وانخفاض الاستثمار، وانخفاض شغل الأراضي، وانخفاض تكاليف الصيانة.
محطات الطاقة الموزعة. بسبب عيوب شبكة الطاقة الكبيرة، يصعب ضمان جودة وكفاءة وسلامة وموثوقية إمدادات الطاقة. بالنسبة للوحدات والمؤسسات المهمة، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى مصدرين أو حتى مصادر طاقة متعددة كدعم احتياطي وحماية. يمكن لنظام تخزين طاقة بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم تقليل أو تجنب انقطاعات التيار الكهربائي الناتجة عن أعطال شبكة الطاقة والأحداث غير المتوقعة، وضمان إمدادات طاقة آمنة وموثوقة في المستشفيات والبنوك ومراكز القيادة والتحكم ومراكز معالجة البيانات وصناعات المواد الكيميائية وصناعات التصنيع الدقيق. يلعب دورًا هامًا.
4. إمدادات طاقة UPS. أدى التطور السريع والمستمر للاقتصاد الصيني إلى توزيع احتياجات مستخدمي إمدادات طاقة UPS بشكل لامركزي، مما أدى إلى ازدياد الطلب على إمدادات طاقة UPS في المزيد من الصناعات والشركات.
بالمقارنة مع بطاريات الرصاص الحمضية، تتمتع بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم بمزايا دورة الحياة الطويلة والسلامة والاستقرار والحماية البيئية الخضراء ومعدل التفريغ الذاتي المنخفض. سيتم استخدامها على نطاق واسع.

التطبيقات في مجالات أخرى

تُستخدم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم على نطاق واسع في المجال العسكري نظرًا لعمرها الافتراضي الطويل، وسلامتها، وأدائها في درجات الحرارة المنخفضة، وغيرها من المزايا. في 10 أكتوبر 2018، شاركت شركة بطاريات من مقاطعة شاندونغ بقوة في معرض تشينغداو الأول للابتكار التكنولوجي للتكامل العسكري-المدني، وعرضت منتجات عسكرية، بما في ذلك بطاريات عسكرية فائقة الانخفاض في درجة الحرارة عند درجة حرارة -45 درجة مئوية.