ما هي حالات استخدام بطاريات الليثيوم الحديد الفوسفاتي الأسطوانية؟

تطبيقات بطاريات الليثيوم الحديد الفوسفاتي الأسطوانية في المركبات الكهربائية

التكامل في المركبات الكهربائية والآلات الصناعية

إن بطارية LiFePO4 الأسطوانية تُغيّر من طريقة تفكيرنا حول المركبات الكهربائية والأتمتة في المصانع، وذلك بفضل تركيبها الوحدوي وملف السلامة المتفوّق بشكل كبير مقارنة بالخيارات الأخرى. لا تعاني هذه البطاريات من مشاكل الانطلاق الحراري الحراري (Thermal Runaway)، ويمكنها تحمل قدرٍ كبيرٍ من الضغوط المادية دون أن تفشل. ولذلك، أصبحت تظهر في كل مكان، بدءًا من السيارات الكهربائية العادية للركاب وصولًا إلى تلك الرافعات الشوكية الأوتوماتيكية الكبيرة التي تعمل في المستودعات يومًا بعد يوم. خذ على سبيل المثال الرافعات الشوكية الكهربائية - عندما تكون مزودة بحزم بطاريات LiFePO4، فإنها تدوم حوالي 30 بالمئة أطول قبل الحاجة إلى الشحن مقارنةً بالأنظمة القديمة التي تعتمد على حمض الرصاص. ما هو الأفضل؟ أنها تواصل الأداء بشكل موثوق حتى عندما تصل درجات الحرارة إلى نحو 60 درجة مئوية (ما يعادل حوالي 140 فهرنهايت). ليس من المستغرب إذًا أن العديد من الصناعات بدأت بالتحول إلى هذه التكنولوجيا لتلبية متطلبات بيئات التشغيل الصعبة.

المزايا الأداء في نُظم النقل الكهربائية

تعمل تصميمات البطاريات الأسطوانية بشكل أفضل من حيث إدارة الحرارة، مما يعني أن بطاريات LiFePO4 قادرة على التعامل مع معدلات تفريغ ملحوظة تصل إلى 3 مرات من سعتها بشكل مستمر دون انخفاض مستويات الجهد، وهو أمر مهم للغاية أثناء التسارع السريع أو عند استرجاع الطاقة من خلال أنظمة الفرامل التوليدية. وقد أثبتت الاختبارات الميدانية بالفعل أن خلايا LiFePO4 الأسطوانية توفر كفاءة طاقية تزيد بنسبة 15 بالمئة تقريبًا مقارنة بالإصدارات المنشورية في نظم نقل الحركة الخاصة بالمركبات الكهربائية. ويصبح هذا الفرق واضحًا بشكل خاص في شاحنات التوصيل داخل المدن التي تبدأ وتتوقف باستمرار على مدار اليوم.

دراسة حالة: المركبات التجارية الكهربائية الخفيفة

في بداية عام 2023، أظهرت تجربة تشغيلية شملت خمسين شاحنة توصيل كهربائية وفورات مالية ملحوظة عند استخدام بطاريات الليثيوم الحديد الفوسفاتي (LiFePO4) الأسطوانية مقارنة بالأنواع التقليدية. فقد استمرت هذه البطاريات في الأداء بشكل ممتاز حتى بعد الخضوع لحوالي 1200 دورة شحن، مع الحفاظ على نحو 92% من سعتها الأصلية. والأكثر من ذلك، كانت تكاليف صيانتها أقل بنسبة 40% تقريبًا مقارنة أنظمة البطاريات التقليدية (NMC) التي ما زالت معظم الشركات تعتمد عليها. بالإضافة إلى ذلك، كان هناك جانب آخر يستحق الذكر. نظرًا لأن حزم البطاريات هذه كانت متوفرة على شكل وحدات يمكن تجميعها مع بعضها مثل مكعبات البناء، أصبح من الممكن استبدال الوحدات المستهلكة بسرعة كبيرة. بالنسبة للشركات التي تعمل بسياراتها طوال اليوم دون توقف، كان هذا يعني إعادة تشغيل المركبات بشكل أسرع بكثير. نحن نتحدث هنا عن تقليل وقت الانتظار بنسبة تصل إلى ثلاثة أرباع، وهو فرق كبير جدًا في مواسم الشحن المزدحمة التي تكون فيها كل دقيقة مهمة.

اتجاهات تصميم السيارات الكهربائية باستخدام حزم بطاريات أسطوانية معيارية

بدأ مصنعو السيارات في الانتقال إلى خلايا الأسطوانات المرنة هذه في الآونة الأخيرة، خاصة تلك البطاريات ذات الحجم 4680 من نوع LiFePO4 التي يمكن أن ترفع طاقة الحزمة إلى أكثر من 160 واط في الكيلوغرام الواحد مع تسهيل عملية الإنتاج بشكل عام. جمالية هذا التصميم تكمن في قدرته على العمل عبر مختلف متطلبات الجهد الكهربائي. نحن نتحدث هنا عن كل شيء بدءًا من أنظمة الـ 48 فولت الأساسية التي تُشغل الإضاءة وتحكم المناخ وحتى أنظمة الـ 800 فولت عالية الأداء اللازمة لمحطات الشحن الفائقة السرعة. علاوة على ذلك، يمكن للمركبات المبنية بهذا النظام أن تحصل على زيادات في السعة مع مرور الوقت دون الحاجة إلى استبدال كامل للبطارية طوال عمرها الافتراضي.

الطاقة المتجددة وأنظمة تخزين الطاقة الثابتة

البطاريات الأسطوانية من نوع LiFePO4 في تخزين الطاقة الهجين للطاقة الشمسية وطاقة الرياح

عندما يتعلق الأمر بتخزين الطاقة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح معًا، فإن بطاريات الليثيوم الحديد الفوسفاتي (LiFePO4) الأسطوانية تتميز بأدائها الجيد ومقاومتها الحرارية الملحوظة. وبحسب دراسة نُشرت بواسطة MDPI في عام 2022 تبحث في كيفية تخزين أنظمة مختلفة للطاقة في التطبيقات الثابتة، فإن هذه الأنظمة البطارية تحقق كفاءة تصل إلى 98.5٪ عند اختبارها في ظروف واقعية. وهذا ما يجعلها أفضل بكثير من البطاريات التقليدية ذات الحمض المعدني التي لا تستطيع مواكبة الأداء. ويساعد شكل هذه البطاريات في الحفاظ على درجة حرارة منخفضة حتى أثناء الشحن السريع من مصادر الطاقة الخضراء غير المتوقعة. هذا الأمر مهم جدًا في المناطق التي تتقلب فيها درجات الحرارة بشكل كبير، وقد تتجاوز أحيانًا 40 درجة مئوية. القدرة على إدارة الحرارة دون ارتفاع درجة الحرارة تجعلها مفيدة بشكل خاص في هذه الظروف القاسية.

عمر دورة طويل: 6000+ دورة في الاستخدام الثابت في العالم الحقيقي

تُظهر الاختبارات في العالم الحقيقي أن خلايا الليثيوم-حديد-فوسفات (LiFePO4) الأسطوانية يمكنها الحفاظ على حوالي 80٪ من سعتها الأصلية حتى بعد الخضوع لأكثر من 6000 دورة شحن وتفريغ عميق عند استخدامها على نطاق شبكات الطاقة. هذا النوع من الأداء يعادل تقريبًا 16 عامًا من التشغيل اليومي لوظفت هذه الخلايا بشكل يومي في أنظمة تخزين الطاقة الشمسية المنزلية. يقلل العمر الافتراضي الطويل من تكلفة الطاقة المُوزَّعة (levelized cost of energy) بنسبة تقارب الثلث مقارنةً بتقنيات البطاريات الليثيومية التقليدية. يسهم عدة عوامل في هذه المتانة المميزة. أولاً، تساعد مواد الكاثود الخاصة في منع ذوبان الحديد أثناء التشغيل. ثانيًا، يوزع الشكل الأسطواني الضغط بشكل متساوٍ عبر هيكل الخلية. وأخيرًا، تشكّل هذه البطاريات طبقة واجهة إلكتروليتية صلبة جدًا مستقرة تبقى سليمة عبر آلاف الدورات الشحن.

تصاميم معيارية قابلة للتوسيع لأنظمة التخزين السكنية والمرافق العامة

تمكن التنسيقات الأسطوانية القياسية مثل 32650 و40152 من توسيع السعة بسلاسة من أنظمة منزلية بسعة 5 كيلوواط ساعة إلى منشآت مرافق بسعة 100 ميغاواط ساعة. ويحقق المصنعون خفضًا بنسبة 22% في التكلفة لكل كيلوواط ساعة من خلال تصميمات وحدات تدعم ما يلي:

تجعل هذه المرونة من بطاريات LiFePO4 الأسطوانية حجر الأساس لأنظمة تخزين الطاقة من الجيل التالي، خاصة للمشاريع المتجددة التي تتطلب نموًا تدريجيًا في السعة.

تطبيقات الصناعة والخدمات اللوجستية الآلية

تزويد المركبات الموجهة آليًا (AGVs) وأنظمة المناولة الآلية بالطاقة

أصبحت البطارية الأسطوانية LiFePO4 ثورة في أنظمة اللوجستيات الآلية عبر مختلف الصناعات. توفر هذه الحزمات الطاقية تشغيلًا سلسًا للمركبات الموجهة آليًا (AGVs) ومعدات مناولة المواد الأخرى في أماكن مثل مصانع السيارات والمستودعات الدوائية ومراكز تعبئة الطلبات الإلكترونية. ما يميزها هو قدرتها على العمل المستمر حتى أثناء التفريغ بمعدلات مذهلة (حوالي 3C). هذا يعني أنها تشحن بسرعة خلال فترات الصيانة القصيرة، مع الحفاظ على معدل تشغيل يصل إلى 98% تقريبًا في ظل إعدادات درجة حرارة متحكم بها. أما الاختبار الحقيقي فهو في المرافق المزدحمة، حيث تنقل المركبات الموجهة آليًا أكثر من خمسة أطنان من البضائع يوميًا دون أي انقطاع.

الأداء الحراري للخلايا الأسطوانية تحت حمل مستمر

تعمل التصاميم الأسطوانية بشكل جيد للغاية في الحفاظ على درجات البرودة أثناء التشغيل لفترات طويلة. وجدت اختباراتنا أن درجة حرارة الأسطح تبقى أقل من 50 درجة مئوية (حوالي 122 فهرنهايت) بعد تشغيلها لمدة 12 ساعة كاملة، وهو ما يعادل تقريبًا 35٪ أقل حرارة مقارنة بما نراه مع خلايا الأكياس (Pouch Cells) التي تتعامل مع نفس الأحمال. إن الطريقة التي تُدار بها الحرارة في هذه الخلايا تقلل متطلبات التبريد بنسبة تصل إلى 40٪ مقارنة بالخلايا المنشورية (Prismatic) البديلة. كما يصبح الصيانة أسهل بكثير للشركات التي تدير أعدادًا كبيرة من عربات النقل العمودية (Pallet Shuttles) وروبوتات الفرز، وذلك لأن الجميع يمكنهم الالتزام بأحجام الخلايا القياسية 32650 أو 40152. لم يعد هناك حاجة لتخزين قطع غيار مختلفة لكل آلة على حدة.

حلول الطاقة المنفصلة، والاحتياطية، والمحمولة

أنظمة الطاقة المنفصلة باستخدام خلايا ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO4) أسطوانية

عندما يتعلق الأمر بحلول الطاقة خارج الشبكة، فإن خلايا الليثيوم الحيوية على شكل أسطواني تبرز كخيار متميز بفضل قدرتها على الأداء الموثوق حتى في درجات الحرارة المنخفضة تحت الصفر أو المرتفعة فوق درجة حرارة الغرفة (تعمل بشكل جيد بين -20 درجة مئوية وصولاً إلى 60 درجة). تدوم هذه البطاريات لفترة أطول بكثير من العديد من البدائل أيضًا. ما يجعلها خاصة حقًا هو قدرتها على التوسع أو التقلص حسب الحاجة. قد يحتاج كوخ صغير فقط إلى حوالي 5 كيلوواط ساعة، في حين قد تتطلب تركيبات أكبر لقرى نائية ما يقارب 500 كيلوواط ساعة. مقارنةً بتصميمات الخلايا الرباعية، لا تنتفخ هذه الإصدارات الأسطوانية بنفس القدر أثناء دورات الشحن المتكررة. لقد خضعت لاختبارات عبر آلاف دورات الشحن/التفريغ بالفعل، ولا تزال تحافظ على نحو 80 بالمئة من سعتها الأصلية بعد أن بقيت في أنظمة هجينية للطاقة الشمسية والرياح لمدة خمس عشرة سنة متواصلة.

طاقة احتياطية موثوقة للاتصالات والبنية التحتية الحرجة

تُعدّ بطاريات LiFePO4 الأسطوانية ضرورية متزايدة لاحتياجات البنية التحتية الحرجة، حيث توفر طاقة مستمرة تدوم أكثر من 72 ساعة عندما تواجه أبراج الهواتف المحمولة انقطاعات في التيار الكهربائي. تتفوق هذه البطاريات فعليًا بنسبة تقارب 40 بالمئة على الخيارات التقليدية القائمة على النيكل من حيث عدد مرات الشحن والتفريغ التي يمكن أن تخضع لها. يتضمن تصميمها أغلفة صلبة من الفولاذ المقاوم للصدأ بالإضافة إلى أنظمة تهوية ذكية تساعد في اجتياز اختبارات السلامة الصارمة UL1973. ما يميزها هو قدرتها على منع سيناريوهات التسخين الخطر، وهو أمر مهم للغاية في المساحات الضيقة مثل غرف الخوادم حيث يمكن أن يكون تراكم الحرارة مشكلة.

التخزين المتنقل والمنزلي للطاقة للاستخدام الاستهلاكي

باتريات الليثيوم الحديد الفوسفاتي (LiFePO4) الأسطوانية قد سيطرت إلى حد كبير على سوق الطاقة المحمولة في الوقت الحالي. فهي موجودة داخل حوالي 90 بالمئة من محطات الطاقة الجاهزة للطاقة الشمسية في نطاق 1 إلى 5 كيلوواط ساعة، وذلك لأنها تتحمل الاهتزازات بشكل جيد وتنسق معًا بانتظام. بالنسبة لحلول تخزين الطاقة المنزلية، يمكن للأفراد في الواقع توصيل ما يصل إلى 20 وحدة منفصلة عبر تقنية الاتصال المعروفة باسم حافلة CAN. وهذا يسمح للنظام بتحويل الأحمال تلقائيًا خلال فترات ارتفاع أسعار الكهرباء. خذ على سبيل المثال وحدة جدارية قياسية بسعة 10 كيلوواط ساعة. عند دمجها مع بعض الألواح الشمسية على السطح، فإن هذا النوع من التكوين يقلل الاعتماد على الشبكة الكهربائية الرئيسية بنسبة تقارب 70 بالمئة. مما يُحدث فرقًا كبيرًا للمنازل التي تسعى لتوفير المال بينما تقلل في الوقت نفسه من البصمة الكربونية الخاصة بها.

السلامة والقابلية للتوسيع في الإعدادات المستقلة

توفر أنظمة LiFePO4 الأسطوانية القابلة للتوسيع قابلية التوسع والسلامة المُحسّنتين من خلال:

• سعة قابلة للتوسيع : أضف 2.5 كيلوواط ساعة دون إعادة تهيئة نظام إدارة البطارية
• إدارة حرارية مركزية : لوحة تبريد واحدة لكل رف بدلاً من أنظمة على مستوى الخلية
• تصميم آمن ضد الفشل : تُستخدم كل خلية على حدة لمنع فشل متسلسل

يدعم هذا التصميم توسيع السعة بسرعة لتلبية الطلب المتزايد على الطاقة مع الحفاظ على شهادة السلامة من الحريق UL9540A.

المزايا التقنية والاقتصادية لتصميم LiFePO4 الأسطواني

تبريد متفوق واستقرار ميكانيكي عالي للشكل الأسطواني

تنتشر التصاميم الأسطوانية للحرارة في جميع الاتجاهات، مما يساعد في الحفاظ على درجة الحرارة المناسبة التي تتراوح عادةً بين ناقص 20 درجة مئوية وصولاً إلى حوالي 60 درجة، حتى في حالات التشغيل الشاق. كما يوزع الشكل المتوازن لهذه البطاريات الإجهاد بشكل متساوٍ عبر المادة، مما يقلل من التشوه مقارنةً بالأشكال الأخرى. وأظهرت بعض الاختبارات تقلصاً بنسبة تصل إلى ثلثين في معدلات التشوه مقارنةً بالخلايا المنشورية وفقاً للنتائج المنشورة السنة الماضية في تقارير هندسة البطاريات. وبفضل هذه المقاومة العالية للإجهاد المادي، يفضل العديد من المصنّعين استخدام خلايا LiFePO4 الأسطوانية في التطبيقات التي تتضمن اهتزازات أو حركة شديدة مثل السيارات الكهربائية والمعدات الثقيلة. أما الخلايا ذات الأغلفة (Pouch cells) فتواجه مشاكل في انفصال طبقاتها الداخلية مع مرور الوقت تحت هذه الظروف.

الكفاءة الاقتصادية في الإنتاج الضخم مقارنةً بالخلايا المنشورية والأكياس

يعمل تصميم الخلية الأسطوانية بشكل جيد للغاية مع إعدادات التصنيع الآلي، مما يعني أنه يمكن إنتاج ما يقارب 40 بالمئة أكثر من الوحدات مقارنة بتلك الخلايا المسطحة من النوع المنشوري. بالإضافة إلى ذلك، تنخفض التكلفة إلى حوالي 87 دولاراً لكل كيلوواط ساعة، مما يجعلها أرخص بنسبة 15 بالمئة تقريباً مقارنة بخيارات الخلايا ذات الأغلفة المتوفرة في السوق. عندما يتعلق الأمر بالأحجام القياسية مثل النماذج الشائعة 32650 و26700، فإن هذه الأبعاد تجعل الأمور أسهل بكثير للروبوتات أثناء تجميع التعبئة. وبحسب بعض البيانات الصناعية الحديثة الصادرة في تقارير إنتاج البطاريات السنة الماضية، فإن هذا الإعداد يقلل فعلياً من مصروفات العمالة بنسبة تصل إلى الثلث. جميع هذه الكفاءات تمنح الشركات المصنعة مرونة أكبر عند توسيع عمليات الإنتاج لمشاريع الطاقة المتجددة وللأغراض الصناعية المختلفة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على معايير جودة المنتج الجيدة في الأسواق المختلفة.

المقارنة الواقعية: الخلايا الأسطوانية مقابل تنسيقات البطاريات الأخرى

تُظهر البيانات من منشآت الطاقة الشمسية بسعة 12 ميغاواط أن حزم بطاريات LiFePO4 الأسطوانية تحتفظ بـ 92% من سعتها بعد 8 سنوات، متفوقةً على الحزم الوعائية (84%) والحزم ذات الأكياس المرنة (73%). كما يسمح تصميمها الوحدوي باستبدال الخلايا الفردية، مما يقلل تكاليف الصيانة على المدى الطويل بنسبة 55%.

الأسئلة الشائعة

ما هي مزايا استخدام بطاريات LiFePO4 الأسطوانية في المركبات الكهربائية؟

توفر بطاريات LiFePO4 الأسطوانية درجة أعلى من الأمان، ومدة استخدام أطول، وإدارة أفضل للحرارة، وكفاءة طاقية محسنة مقارنةً بأنواع البطاريات الأخرى. وهي مفيدة بشكل خاص في التطبيقات التي تتطلب التسارع السريع وأنظمة استعادة الطاقة.

كيف تؤدي بطاريات LiFePO4 الأسطوانية في تخزين الطاقة المتجددة؟

تقدم هذه البطاريات كفاءة عالية (تصل إلى 98.5%) وإدارة ممتازة للحرارة، مما يجعلها مثالية لتخزين الطاقة من مصادر متجددة متقلبة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

هل يمكن استخدام بطاريات LiFePO4 الأسطوانية في حلول الطاقة خارج الشبكة؟

نعم، هذه البطاريات مناسبة للحلول خارج الشبكة، حيث تقدم موثوقية وقابلية التوسع في نطاقات متنوعة من درجات الحرارة، وتوفر طاقة طويلة الأمد لكل من المباني الصغيرة والمنشآت الأكبر حجمًا.

ما عمر بطارية LiFePO4 الأسطوانية؟

يمكن أن يتجاوز عمر بطاريات LiFePO4 الأسطوانية 6000 دورة، أي ما يعادل حوالي 16 سنة من الاستخدام اليومي دون حدوث فقدان ملحوظ في السعة.

هل البطاريات الأسطوانية LiFePO4 فعالة من حيث التكلفة؟

نعم، إنها فعالة من حيث التكلفة بسبب انخفاض تكاليف التجميع والصيانة، وتقليل معدلات الفشل، وطول العمر، مما يجعلها خيارًا قابلاً للتطبيق لكل من الاستخدامات الصناعية والسكنية.