أخبار EVs

لماذا تمثل الأقطاب الكهربائية للطلاء الجاف مستقبل صناعة بطاريات السيارات الكهربائية


 

تتمثل إحدى الخطوات الرئيسية في عملية تصنيع البطاريات في طلاء المادة الفعالة أعلى الرقاقة المعدنية لإنشاء القطب. هذه المادة النشطة هي المكان الذي تحدث فيه التفاعلات الكهروكيميائية ، مما يسمح للقطب الكهربائي بالتخزين ثم إطلاق الطاقة عند تفريغ الخلية. تقليديا ، يتم خلط مادة القطب مع الماء أو مذيب عضوي لتشكيل ملاط سائل يتم تطبيقه على الجزء العلوي من الرقاقة المعدنية. بعد الطلاء ، يتم تجفيف الأقطاب الكهربائية وضغطها. تقلل عملية الضغط ، المعروفة أيضًا باسم الصقل ، من مسامية القطب ، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة بسبب الحجم الأصغر ، فضلاً عن تحسين الالتصاق وتوحيد الطلاء. عملية التجفيف مكلفة وتستهلك الكثير من الطاقة والوقت ، وتستغرق بعض الأقطاب من 12 إلى 24 ساعة حتى تجف تمامًا. علاوة على ذلك ، يجب استرداد المذيبات العضوية المستخدمة في تحضير الملاط ، والتي عادة ما تكون خطرة ، وإعادة تقطيرها للاستخدام التالي.

من الواضح أن عملية “الطلاء الرطب” تشكل عيبًا عندما تتطلب متطلبات السوق التوسع السريع والاقتصادي في إنتاج البطاريات ، لذلك فلا عجب أن الشركات الرائدة مثل LG و Samsung و CATL و Ford و GM و Volkswagen و Tesla يبذلون جميعًا جهودًا لتطوير “طلاء جاف” ، مما يشير إلى اتجاه متزايد. نظرًا لأن الصناعة تدرك إمكانات هذه التقنية وتعمل على التغلب على التحديات التي تصاحبها ، فهل تستهل أقطاب الطلاء الجافة في بطاريات الجيل التالي؟

فوائد الطلاء الجاف

العملية الجديدة ، المشار إليها باسم الطلاء الجاف ، تلغي مرحلة التجفيف التقليدية. يتم خلط المسحوق مع مادة رابطة بوليمرية معينة تعمل كلصق ، ثم يتم وضعها على الرقاقة المعدنية. يتم بعد ذلك تطبيق تغييرات الضغط ودرجة الحرارة على الخليط الذي يسمح له بالالتصاق بالرقائق.

على الرغم من أن الأقطاب الكهربائية للطلاء الجاف غالبًا ما تنطوي على عملية أكثر تعقيدًا ، إلا أنها تتيح تقليل التكلفة ووقت التصنيع ، مع كونها خيارًا أكثر صداقة للبيئة. دعونا نلقي نظرة فاحصة على الفوائد.

من خلال تجنب استخدام المذيبات ، تتطلب عملية الطلاء الجاف خطوات ومعدات إعداد أقل ، مما يقلل من إجمالي النفقات الرأسمالية والتشغيلية. مع وجود معدات أقل ثقلاً في الطلاء الجاف ، من الممكن تصنيع أقطاب كهربائية باستخدام عُشر البصمة المعتادة للمصنع. هذا يقلل أيضًا من الطاقة اللازمة لإنتاج البطاريات. علاوة على ذلك ، تؤدي عملية الطلاء الجاف الأسرع إلى إنتاج تصنيع أعلى مع تقليل التكاليف واستهلاك الطاقة. على وجه التحديد ، قد تؤدي هذه المزايا إلى خفض تكلفة البطارية بنسبة 10٪ على الأقل.

تعزيز الاستدامة

يرتبط ما يقرب من 39٪ من استهلاك الطاقة في إنتاج بطاريات أيونات الليثيوم بعمليات التجفيف الشاملة ، حيث تمثل خطوة تجفيف القطب نحو نصف هذا الاستهلاك. على الرغم من أن العمليات الجافة قد لا تزال تستخدم بكرات ساخنة ، فإن التخلص من خطوات التجفيف واستعادة المذيبات يقلل بشكل كبير من استهلاك الكهرباء والتكاليف. فائدة ثانوية بيئية ، حيث لا توجد حاجة لاستخدام المذيبات الخطرة المذكورة أعلاه.

كما هو الحال مع أي جهود تحسين ، يمكن أن تنشأ تحديات مع عملية الطلاء الجاف مثل مشكلات التوحيد والمضاعفات المتعلقة بالإنتاج على نطاق واسع. كما ذكرنا ، لكي يكون خليط الطلاء الجاف قابلاً للاستخدام ، يجب أن يكون متجانسًا عبر المساحات الكبيرة من أقطاب البطارية. على غرار الطلاء الرطب ، يتم أيضًا تقويم الرقائق المطلية الجافة ، ولكن بضغط ودرجة حرارة أعلى. في حالة Tesla ، تسبب الخليط بشكل غير متوقع في انبعاج بكرات التقويم باهظة الثمن ، والتي تعتبر ، وفقًا لإيلون ماسك ، مشكلة هندسية قابلة للحل إلى حد ما. ومع ذلك ، لا يزال هذا يتطلب قدرًا كبيرًا من التجربة والخطأ حتى يكون جاهزًا تجاريًا.

في حالة عدم انتظام الطلاء ، فقد يتسبب في تكوين ما يسمى بالنقاط الساخنة في أقطاب البطارية ، مما يؤدي إلى تدهور البطارية ، ودوائر قصيرة محتملة ، وحتى عطل كارثي للبطارية. للحفاظ على أداء البطارية ، من الأهمية بمكان ضمان التصاق المادة النشط بالرقائق باستخدام أقل قدر ممكن من الموثق. لذلك ، يجب أن يكون المزيج الجاف متجانسًا حتى قبل الطلاء ، مع توزيع المواد بالتساوي في حجم الخليط.

يتطلب العثور على تقنية جديدة فعالة استثمارات كبيرة في معدات تصنيع البطاريات وتعديلاتها لتحقيق النتائج المرجوة. تستخدم Tesla عملية الطلاء الجاف التي طورتها Maxwell Technologies ، والتي استحوذت عليها Tesla في صفقة شاملة لجميع الأسهم في عام 2019 كجزء من تحسينات التوسع والتصنيع. يقدر إيلون ماسك ذلك في قضية تسلا ه ، ستقوم الشركة بمراجعة الآلات خمس أو ست مرات قبل المضي قدمًا في الإنتاج على نطاق واسع باستخدام الطلاء الجاف. بالإضافة إلى ذلك ، في حين أعلن ماسك في البداية أن الطلاء الجاف سيكون خبرًا كبيرًا للصناعة ، فقد تم التقليل من أهميته بعد ذلك بعامين ، ولا يزال غير متاح تجاريًا. قد تكون التأخيرات التي رأيناها حول اعتماد الطلاء الجاف ناتجة عن الاستثمارات الكبيرة التي لا تزال مطلوبة لتحسين العملية.

هل يمكن لبنية القطب الكهربائي ثلاثية الأبعاد أن تحل تحديات الطلاء الجاف؟

تقليديا ، تحتوي جميع البطاريات على هيكل قطب كهربائي ثنائي الأبعاد يتكون من رقائق معدنية مسطحة مطلية بمواد كيميائية فعالة. في المقابل ، تستخدم الأقطاب الكهربائية ثلاثية الأبعاد المتقدمة حديثًا بنية معدنية مسامية مع مادة كيميائية نشطة مدمجة في الداخل أثناء عملية الطلاء.

في حالة الرقائق ثنائية الأبعاد حيث يكون الطلاء على شكل طبقات ، قد تعاني البطاريات من نقص في الاستقرار الميكانيكي ، مما يشكل خطر تفكيك أقطاب البطارية. في الواقع ، في حالة براءة اختراع Maxwell Technologies ، يكون سطح المجمع الحالي خشنًا أحيانًا لمنع الحبر الجاف من الانزلاق على السطح ولتحسين الالتصاق. باستخدام الأقطاب الكهربائية ثلاثية الأبعاد ، يمكن أن تكون هذه العملية أكثر كفاءة ويمكن دمجها في خط الإنتاج.

باستخدام أقطاب ثلاثية الأبعاد ، يمكن بسهولة اختراق مسحوق المادة الفعالة في الإطار المعدني في نفس الوقت من كلا الجانبين ، مما يسمح له بأن يكون أكثر اتساقًا. يتيح ذلك استقرارًا ميكانيكيًا أفضل والالتصاق بأقطاب كهربائية ثلاثية الأبعاد للبطارية. علاوة على ذلك ، تتوافق عملية الطلاء الجاف باستخدام الأقطاب الكهربائية ثلاثية الأبعاد مع عملية التصنيع باستخدام الرقائق ويمكن إجراؤها على نفس خط الإنتاج.

يعد تسريع اتجاه الكهربة في الصناعات التي تتراوح من السيارات الكهربائية إلى تخزين الطاقة الموزعة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أهداف إزالة الكربون على نطاق واسع من أجل التخفيف من آثار تغير المناخ. تحتاج صناعة البطاريات إلى استخدام جميع الأدوات المتاحة لها لتحسين الأداء والتكلفة وتوسيع نطاق بطاريات الجيل التالي ، ويُظهر الطلاء الجاف للأقطاب الكهربائية وعدًا كبيرًا لدعم هذه الجهود. لا يتعلق الأمر فقط بتطوير كيميائي للبطاريات أكثر تقدمًا – إنه يتعلق أيضًا بالتحسينات في تصميم الأقطاب الكهربائية بما في ذلك الأقطاب الكهربائية ثلاثية الأبعاد التي يمكن أن تسهل طرق التصنيع الجديدة مثل الطلاء الجاف. فقط عندما نركز على تعقيدات تطوير البطاريات ، يمكننا تسريع انتقال الطاقة الذي يعتمد عليه مستقبل المجتمع.

لمزيد من المعلومات والصور :

Why dry coating electrodes is the future of the electric vehicle battery industry

اظهر المزيد

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى