CATL تستكشف بطارية تعمل بالهواء. هل يمكن أن تعطي السيارات الكهربائية مدى 2000 كم؟

أعاد تقرير من وسيلة الإعلام التكنولوجية الصينية IT Home إحياء الادعاءات بأن بطاريات الليثيوم-هواء يمكن أن توفر مدى يصل إلى 2000 كم للسيارات الكهربائية وتحقق كثافة طاقة تفوق خمس مرات كثافة البطاريات الصلبة. وغالبًا ما يُشار إلى الطاقة المحددة النظرية لهذه الكيمياء بحوالي 3505 واط ساعة/كغم. ومع ذلك، تصف هذه الرقم الإمكانيات الكهروكيميائية، وليس أداء بطارية سيارات كاملة.

تأتي العلاقة مع CATL من كبير العلماء وو كاي، الذي حدد تقنية الليثيوم-هواء كاتجاه بحث طويل الأمد في منتدى معدات الطاقة لعام 2026. كما أبلغنا سابقًا، تضع خارطة طريق بطاريات CATL الأوسع تقنيات أيونات الصوديوم والبطاريات الصلبة بالكامل أقرب إلى التصنيع، بينما تظل بطاريات الليثيوم-هواء مشروع بحث طويل الأمد. لم تعلن CATL عن هدف إنتاج سيارة بمدى 2000 كم أو جدول زمني للإطلاق التجاري لهذه التكنولوجيا.

لا يزال الفجوة بين كثافة الطاقة النظرية وأداء السيارات كبيرة. إدارة الأكسجين، والاستقرار الكيميائي، وإمكانية إعادة الشحن والمعدات الداعمة جميعها تمثل تحديات هندسية كبيرة.

كيف تعمل بطاريات الليثيوم-هواء

تخزن بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية الليثيوم داخل قطبين، حيث تتحرك أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود أثناء الشحن والتفريغ. بدلاً من ذلك، تستخدم بطاريات الليثيوم-هواء الليثيوم المعدني كقطب سالب والأكسجين من البيئة المحيطة كمواد تفاعل إيجابية.

أثناء التفريغ، يتفاعل الليثيوم مع الأكسجين لتكوين بيروكسيد الليثيوم (Li₂O₂) داخل كاثود مسامي. يعكس الشحن التفاعل، مما يحرر الأكسجين ويعيد أيونات الليثيوم إلى الأنود. سحب الأكسجين من خارج الخلية بدلاً من تخزين المادة التفاعلية الإيجابية في مادة كاثود تقليدية يمنح الكيمياء طاقة محددة نظرية عالية.

يرتبط الرقم المذكور بشكل متكرر 3505 واط ساعة/كغم بتفاعل بيروكسيد الليثيوم النظري ويشمل كتلة مادة الأكسجين التفاعلية. الأرقام الأعلى التي تقترب من 12000 واط ساعة/كغم تستخدم حدود حساب مختلفة تستبعد كتلة الأكسجين. لا يمثل أي منهما كثافة الطاقة لبطارية سيارات كاملة. تضيف الإلكتروليتات، والأقطاب، والمكونات الواقية، ومعدات إدارة الهواء جميعها الوزن والحجم.

التقدم في المختبر لم يحل مشكلة المتانة

اهتمام صناعة السيارات ببطاريات الليثيوم-هواء يسبق أبحاث CATL. أطلقت IBM مشروع Battery 500 في عام 2009، مستهدفة بطارية معدنية-هواء قادرة على تشغيل سيارة كهربائية لمسافة 500 ميل (805 كم) بشحنة واحدة. شمل البرنامج البحثي متعدد الجنسيات شركاء أكاديميين وصناعيين لكنه لم ينتج بطارية سيارات متاحة تجاريًا.

تناولت الأبحاث الحديثة قيود بطاريات الليثيوم-هواء الكيميائية، وخاصة تراكم منتجات التفريغ داخل الكاثودات المسامية. دراسة عام 2025 من باحثين في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، بما في ذلك البروفيسور بينغ تان، فحصت كيف تؤثر خصائص نقل الأكسجين في الإلكتروليت على آليات التفاعل في بطاريات الليثيوم-أكسجين. باستخدام أقطاب سميكة، أظهر الباحثون كيف يمكن أن تغير مقاومة نقل الكتلة مسارات التفاعل في مواقع مختلفة داخل القطب. يوفر هذا العمل رؤى حول تصميم الأقطاب ولكنه لا يثبت حلاً للسيارات لمشكلة انسداد الكاثود.

نتيجة منفصلة جاءت من باحثين مرتبطين بجامعة جيلين والأكاديمية الصينية للعلوم. أفادت دراسة عام 2024 نُشرت في مواد الطاقة المتقدمة بتكوين خلية كيسية من الليثيوم-هواء محسّنة تحقق 757.5 واط ساعة/كغم مع إلكتروليت بوليمر جل في الموقع. كما أظهر الباحثون 241 دورة تحت ظروف مختبرية محددة تبلغ 500 مللي أمبير/غ و1000 مللي أمبير ساعة/غ. هذه نتيجة مختبرية، وليست تصنيفًا لبطارية حزمة سيارات معتمدة تجاريًا.

أبلغ الباحثون في معهد إلينوي للتكنولوجيا ومختبر أرجون الوطني عن نهج آخر في ورقة علمية عام 2023. استخدمت هيكلية بطارية الليثيوم-هواء الصلبة تفاعلًا رباعي الإلكترونات لتكوين أكسيد الليثيوم (Li₂O)، بدلاً من المسار الأكثر تقليدية لليثيوم-بيروكسيد. أكملت البطارية ما لا يقل عن 1000 دورة شحن وتفريغ في درجة حرارة الغرفة. وقد تم تقدير إمكانات كثافة الطاقة النظرية لها بـ 1200 واط ساعة/كغم، ولم يتم قياسها كتصنيف خلية تجارية محققة.

تظهر هذه النتائج تقدمًا يتجاوز الحسابات النظرية، لكن الكيميائيات المختلفة، وظروف التشغيل، وحدود القياس تجعل المقارنات المباشرة صعبة. لا يوجد أي منها يثبت جاهزية بطارية سيارة الركاب للإنتاج.

ثلاث عقبات هندسية لسيارات الركاب

1. إدارة الهواء تضيف الوزن والتعقيد

تحتاج بطارية الليثيوم-هواء إلى الأكسجين مع الحد من التعرض للرطوبة وثاني أكسيد الكربون. يمكن أن تؤدي هذه الملوثات إلى تفاعلات غير مرغوب فيها تؤدي إلى تدهور الأنود الليثيومي، والإلكتروليت، والكاثود. يمكن أن تتفاعل الرطوبة مع الليثيوم المعدني، بينما يمكن أن يشكل ثاني أكسيد الكربون كربونات الليثيوم (Li₂CO₃). يمكن أن تقيد الرواسب داخل الكاثود المسامي نقل الأكسجين وتقلل من السعة القابلة للاستخدام.

لذا، سيتطلب النظام السيارات إدارة مدخل الهواء بشكل محكم، وترشيح، وإدارة الرطوبة، ربما جنبًا إلى جنب مع معدات معالجة الغاز الإضافية. تضيف هذه المكونات وزنًا وحجمًا بينما تستهلك الطاقة. اقترحت دراسة عام 2023 في مجلة تخزين الطاقة أنظمة توازن ميكانيكية لمركبات الليثيوم-هواء. وقدرت أن المعدات الداعمة ستستهلك 5.4% من طاقة البطارية في تكوينها المقترح للمركبة. الرقم محدد بالتصميم، لكنه يوضح الطلب الإضافي على الطاقة لتشغيل خلايا الليثيوم-هواء في مركبة.

2. إعادة الشحن والكفاءة لا تزال صعبة

يجب إزالة بيروكسيد الليثيوم من الكاثود أثناء الشحن. يتطلب عكس تفاعل التفريغ طاقة إضافية ويمكن أن يولد أنواعًا تفاعلية من الأكسجين تهاجم الإلكتروليت ومكونات الخلية الأخرى.

تساهم هذه التفاعلات الجانبية في فقدان السعة ومدة دورة محدودة. تواجه الأنودات المعدنية الليثيومية أيضًا عدم الاستقرار أثناء ترسيب وإزالة الليثيوم المتكرر. لذلك، فإن الكثافة الطاقية الأولية العالية لا تضمن أداءً موثوقًا على مدى مئات أو آلاف الدورات.

تزيد الكفاءة المنخفضة في الرحلة الكاملة من الطاقة المطلوبة لتوفير كمية معينة من الكهرباء القابلة للاستخدام. تظهر بعض الخسائر على شكل حرارة، مما يزيد من متطلبات إدارة الحرارة، بينما تضيف معدات معالجة الهواء استهلاكًا طفيليًا إضافيًا. يجب أيضًا أخذ متطلبات التبريد في الاعتبار جنبًا إلى جنب مع وزن البطارية، وحجمها، وكفاءة المركبة.

3. كثافة الطاقة لا تضمن أداء المركبة

تقيس الطاقة المحددة مقدار الطاقة التي تخزنها البطارية لكل وحدة من الكتلة، بينما تقيس كثافة الطاقة الحجمية مقدار ما تخزنه ضمن مساحة معينة. تحدد كثافة الطاقة مدى سرعة قدرتها على توصيل تلك الطاقة.

تحتاج سيارات الركاب إلى الثلاثة جميعًا. لن تناسب بطارية ذات طاقة محددة استثنائية ولكن إنتاج طاقة ضعيف أو كثافة حجمية منخفضة منصة مركبة تلقائيًا. يجب أن توفر أيضًا طاقة كافية للتسارع، والتجاوز، والقيادة المستدامة بينما تناسب داخل حاوية البطارية المتاحة.

لن تحل عملية تبديل البطاريات هذه القيود. على الرغم من أن التبديل يمكن أن يدور الحزم بين المركبات ومحطات الشحن، إلا أنه لا يمكنه عكس التحلل الكيميائي، أو استعادة الإلكتروليتات التالفة، أو إزالة الرواسب غير القابلة للعكس داخل الأقطاب المتدهورة.

أبحاث الحالة الصلبة جزء من قصة الليثيوم-هواء

لا تعتبر بطاريات الليثيوم-هواء مجرد منافسين لبطاريات الحالة الصلبة. يقوم الباحثون أيضًا بالتحقيق في الإلكتروليتات الصلبة داخل هياكل الليثيوم-هواء لحماية الأنود الليثيومي واستقرار التفاعلات الكهروكيميائية.

تظهر أبحاث Argonne وIllinois Tech نهجًا من هذا القبيل، باستخدام إلكتروليت صلب مركب يعتمد على جزيئات نانوية تحتوي على الليثيوم مدفونة في مصفوفة بوليمرية. هذا لا يثبت أن سيراميك معين مثل غارنيت LLZO هو شرط عالمي لتكنولوجيا الليثيوم-هواء. لا تزال بطاريات الليثيوم-هواء وبطاريات الليثيوم-أيون الصلبة التقليدية تقنيات مختلفة جوهريًا.

تظل أولويات تطوير CATL على المدى القريب هي بطاريات أيونات الصوديوم وبطاريات الحالة الصلبة بالكامل. لا يزال هناك حاجة إلى تقدم كبير في المتانة، وإنتاج الطاقة، وإدارة الهواء، والكفاءة، وتغليف النظام الكامل قبل أن يمكن إثبات ملاءمتها للسيارات الركابية.

تتم مناقشة الطائرات غير المأهولة ذات الارتفاعات العالية والتحمل الطويل أحيانًا كإمكانيات محتملة لبطاريات ذات طاقة محددة عالية. يجب عدم الخلط بين هذه الإمكانية وبرنامج نشر مؤكد من CATL.

في الوقت الحالي، تصف الادعاءات حول 2000 كم إمكانية نظرية، وليست قدرة سيارات أثبتتها CATL. لا يزال تحويل الإمكانات الكهروكيميائية الاستثنائية لبطاريات الليثيوم-هواء إلى بطارية سيارة متينة وقابلة لإعادة الشحن وعملية هو المهمة الأكثر صعوبة.