مع تحرك العالم نحو مستقبل أكثر صداقة للبيئة ، ارتفع الطلب على المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة. يتطلب هذا النمو السريع تطوير تقنيات بطاريات مستدامة وفعالة. في حين هيمنت بطاريات الليثيوم أيون على السوق ، هناك اهتمام متزايد بالمواد البديلة ، مثل الفوسفات. تستكشف هذه المقالة الإستخدام المحتمل للفوسفات في إنتاج البطاريات والمركبات الكهربائية ، وتسليط الضوء على معرفتها ومزاياها وتحدياتها وآفاقها.
الفوسفات هو صخر رسوبي / بركاني يحتوي على مستويات عالية من الفوسفور ، وهو عنصر غذائي أساسي لنمو النبات. يستخدم بشكل أساسي في إنتاج الأسمدة وحمض الفوسفوريك. ومع ذلك ، فقد أظهرت الدراسات الحديثة أن الفوسفات يمكن أن يلعب أيضًا دورًا حيويًا في تطوير تقنيات البطاريات المستدامة.
يتضمن إنتاج بطاريات الفوسفات القائمة على الصخور بشكل أساسي خطوتين رئيسيتين: أنتاج فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) وتجميع البطارية.
توليف LiFePO4: تتم معالجة الفوسفات أولاً لاستخراج حمض الفوسفوريك ، والذي يعمل كمقدمة لإنتاج فوسفات الحديد الليثيوم. يتفاعل حمض الفوسفوريك مع كربونات الليثيوم أو هيدروكسيد الليثيوم لتكوين فوسفات الليثيوم. ثم يضاف أكسيد الحديد ، ويسخن الخليط في بيئة خاضعة للرقابة ، عادة عند درجات حرارة عالية (700-800 درجة مئوية) ، مما يؤدي إلى تكوين جسيمات LiFePO4 النانوية.
تجميع البطارية: يتم طلاء جسيمات LiFePO4 النانوية على مادة موصلة ، مثل الكربون ، لتشكيل الكاثود. يتم الجمع بين الأنود ، المصنوع عادة من الجرافيت ، والفاصل لتجميع البطارية. يسهل المنحل بالكهرباء ، وهو عادة ملح الليثيوم المذاب في مذيب عضوي ، حركة الأيونات بين الكاثود والأنود.
أثناء عملية الشحن والتفريغ ، تحدث العديد من التفاعلات الكهروكيميائية داخل البطارية القائمة على الفوسفات.
تفاعلات الشحن: عندما يتم شحن البطارية ، تتوجه أيونات الليثيوم (Li +) من الكاثود (LiFePO4) إلى القطب الموجب (الجرافيت). تخضع أيونات الحديد (Fe2 + / Fe3 +) في الكاثود لتفاعل الأكسدة والاختزال ، وتتحول بين حالات Fe2 + و Fe3 +. في الوقت نفسه تتدفق الإلكترونات من القطب الموجب إلى الكاثود عبر الدائرة الخارجية.
تفاعلات التفريغ: أثناء التفريغ ، تتحرك أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب. تخضع أيونات الحديد في الكاثود لتفاعل الأكسدة والاختزال العكسي ، وتتحول من Fe3 + إلى Fe2 +. ينتج عن حركة أيونات الليثيوم وتدفق الإلكترون المقابل إطلاق الطاقة الكهربائية.
آليات تخزين الطاقة: تخزن بطاريات الفوسفات القائمة على الفوسفات، الطاقة من خلال التبادل العكسي لأيونات الليثيوم في الشبكة البلورية LiFePO4. تتضمن عملية الإقحام حركة أيونات الليثيوم بين الكاثود والأنود أثناء دورات الشحن والتفريغ.
يتيح الهيكل البلوري الفريد لـ LiFePO4 الإقحام المستقر للليثيوم ، مما يضمن خصائص أمان ودورة حياة ممتازة. تُظهر البطاريات القائمة على الفوسفات إمكانات عالية لتخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية بكفاءة.
السلامة والاستقرار: تعد بطاريات LiFePO4 أكثر أمانًا بطبيعتها من بطاريات الليثيوم أيون نظرًا لتركيبها البلوري المستقر. إنها تتميز باستقرار حراري فائق ، مما يقلل من مخاطر الهروب الحراري ومخاطر الحريق ، مما يجعلها خيارًا مثاليًا للمركبات الكهربائية.
طول العمر: بطاريات الفوسفات القائمة على الصخور لها دورة حياة ممتدة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية. يمكن أن تتحمل عددًا أكبر بكثير من دورات تفريغ الشحن ، مما ينتج عنه حلول تخزين طاقة تدوم طويلاً وأكثر موثوقية.
كثافة الطاقة العالية: على الرغم من وجود كثافة طاقة أقل قليلاً من بطاريات الليثيوم أيون ، إلا أن بطاريات LiFePO4 تتفوق في الإستخدامات عالية الطاقة. إنها تُظهر أداءً ممتازًا في توصيل رشقات من الطاقة ، مما يجعلها مناسبة للسيارات الكهربائية ، حيث يكون التسارع السريع والكبح المتجدد أمرًا بالغ الأهمية.
الاستدامة البيئية: الفوسفات متاح على نطاق واسع ولا يتطلب عمليات تعدين أو استخراج مكثفة. بالإضافة إلى ذلك ، لا يتضمن إنتاجه استخدام مواد سامة ، مما يساهم في نظام إيكولوجي أكثر صداقة للبيئة لإنتاج البطاريات.
كثافة الطاقة: عادةً ما تكون لبطاريات الفوسفات كثافة طاقة أقل مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون. في حين أن هذا قد يحد من إستخدامها في سيناريوهات معينة ، فإن التطورات في تكنولوجيا البطاريات وزيادة كفاءة المركبات الكهربائية تساعد في التخفيف من هذا القيد.
تكاليف التصنيع: حاليًا ، تعد تكاليف تصنيع بطاريات الفوسفات أعلى من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. ومع ذلك ، مع نمو الطلب على تقنيات البطاريات البديلة وبدء وفورات الحجم ، من المتوقع أن تنخفض هذه التكاليف.
إمكانات السوق والتوقعات المستقبلية
ش
