تمثل السعة الأكبر، والطاقة الأكبر، والحجم الأصغر، والوزن الأخف، والتصنيع الضخم الأسهل، واستخدام مكونات أرخص تحديات في تصميم بطاريات السيارات الكهربائية. وبعبارة أخرى، يتلخص الأمر في التكلفة والأداء. فكر في الأمر كعملية موازنة، حيث يجب أن توفر الكيلوواط/ساعة (kWh) التي تم تحقيقها أقصى نطاق، ولكن بتكلفة معقولة للتصنيع. ونتيجة لذلك، غالبًا ما ترى أوصاف حزمة البطارية تسرد تكاليف التصنيع، إلى جانب أرقام تتراوح من 240 دولارًا إلى 280 دولارًا/كيلووات ساعة أثناء الإنتاج، على سبيل المثال.
أوه، ودعونا لا ننسى السلامة. تذكر الفشل الذريع الذي حدث في هاتف Samsung Galaxy Note 7 قبل بضع سنوات، وما يعادل بطارية السيارة الكهربائية من حرائق المركبات والانهيارات المكافئة لحادث تشيرنوبيل. في سيناريو كارثة التفاعل المتسلسل الجامح، يتم التحكم في التباعد والحرارة بين الخلايا في البطارية حزمة لمنع خلية واحدة من إشعال خلية أخرى، أخرى، وما إلى ذلك، تزيد من تعقيد تطوير بطارية السيارة الكهربائية. ومن بينها، حتى شركة تيسلا تعاني من مشاكل.
في حين أن حزمة بطارية السيارة الكهربائية تتكون من ثلاثة أجزاء رئيسية: خلايا البطارية، ونظام إدارة البطارية، ونوع من الصناديق أو الحاويات التي تجمعها معًا، في الوقت الحالي، سننظر فقط إلى البطاريات وكيف تطورت مع تسلا. ولكن لا تزال مشكلة لتويوتا.
البطارية الأسطوانية 18650 هي بطارية ليثيوم أيون يبلغ قطرها 18 ملم وطولها 65 ملم ووزنها حوالي 47 جرامًا. عند جهد اسمي 3.7 فولت، يمكن لكل بطارية شحن ما يصل إلى 4.2 فولت وتفريغها عند مستوى منخفض. مثل 2.5 فولت، وتخزين ما يصل إلى 3500 مللي أمبير لكل خلية.
مثل المكثفات الإلكتروليتية، تتكون بطاريات السيارات الكهربائية من تسلا من صفائح طويلة من الأنود والكاثود، مفصولة بمادة عازلة للشحن، وملفوفة ومعبأة بإحكام في أسطوانات لتوفير المساحة وتخزين أكبر قدر ممكن من الطاقة. هذه الكاثود (مشحونة سالبًا) و تحتوي كل ورقة من صفائح الأنود (مشحونة بشكل إيجابي) على علامات تبويب لتوصيل الشحنات المتشابهة بين الخلايا، مما ينتج عنه بطارية قوية - يصل مجموعها إلى بطارية واحدة، إذا صح التعبير.
تمامًا مثل المكثف، فهو يزيد من سعته عن طريق تقليل التباعد بين صفائح الأنود والكاثود، وتغيير المادة العازلة (المادة العازلة المذكورة أعلاه بين الصفائح) إلى مادة ذات سماحية أعلى، وزيادة مساحة الأنود والكاثود الخطوة التالية في (طاقة) بطارية Tesla EV هي 2170، التي تحتوي على أسطوانة أكبر قليلاً من 18650، بقياس 21 مم × 70 مم ووزن حوالي 68 جرامًا. عند جهد اسمي يبلغ 3.7 فولت، يمكن لكل بطارية شحن ما يصل إلى 4.2 فولت. فولت وتفريغ منخفض يصل إلى 2.5 فولت، وتخزين ما يصل إلى 4800 مللي أمبير لكل خلية.
ومع ذلك، هناك مقايضة تتعلق في الغالب بالمقاومة والحرارة مقابل الحاجة إلى وعاء أكبر قليلاً. في حالة 2170، تؤدي الزيادة في حجم لوحة الأنود/الكاثود إلى مسار شحن أطول، مما يعني المزيد من المقاومة، وبالتالي المزيد هروب الطاقة من البطارية على شكل حرارة وتتداخل مع متطلبات الشحن السريع.
لإنشاء بطارية من الجيل التالي تتمتع بقدر أكبر من الطاقة (ولكن دون زيادة المقاومة)، صمم مهندسو تسلا بطارية أكبر بكثير مع ما يسمى بتصميم "الجداول" الذي يقصر المسار الكهربائي وبالتالي يقلل من كمية الحرارة المتولدة عن المقاومة. يمكن أن يُعزى الكثير من هذا إلى من قد يكون أفضل الباحثين في مجال البطاريات في العالم.
تم تصميم البطارية 4680 في شكل حلزوني مبلط لتسهيل التصنيع، ويبلغ قطر العبوة 46 مم وطولها 80 مم. الوزن غير متوفر، ولكن تم الإبلاغ عن أن خصائص الجهد الأخرى متشابهة أو متطابقة؛ومع ذلك، تم تصنيف كل خلية بحوالي 9000 مللي أمبير، وهو ما يجعل بطاريات Tesla المسطحة الجديدة جيدة جدًا. كما أن سرعة شحنها لا تزال جيدة للطلب السريع.
في حين أن زيادة حجم كل خلية بدلاً من تقليصها قد يبدو أنه يتعارض مع متطلبات تصميم البطارية، فإن التحسينات في سعة الطاقة والتحكم الحراري لـ 4680 مقارنة بالطرازين 18650 و2170 أدت إلى عدد أقل بكثير من الخلايا مقارنة باستخدام بطارية 18650 و2170 تتمتع موديلات تسلا السابقة التي تعمل بالطاقة بقدرة أكبر لكل حزمة بطارية من نفس الحجم.
ومن الناحية العددية، يعني هذا أنه لا يلزم سوى حوالي 960 خلية "4680" لملء نفس المساحة التي تشغلها 4416 خلية "2170"، ولكن مع فوائد إضافية مثل انخفاض تكاليف الإنتاج لكل كيلووات في الساعة واستخدام 4680 حزمة بطارية تزيد الطاقة بشكل كبير.
كما ذكرنا سابقًا، من المتوقع أن توفر 4680 5 أضعاف تخزين الطاقة و6 أضعاف الطاقة مقارنة ببطارية 2170، وهو ما يترجم إلى زيادة متوقعة في القيادة من 82 كيلووات في الساعة إلى 95 كيلووات في الساعة في سيارات تيسلا الأحدث التي تزيد المسافة المقطوعة بنسبة تصل إلى 16٪.
تذكر، هذه مجرد أساسيات بطاريات Tesla، وهناك المزيد وراء هذه التكنولوجيا. ولكن هذه بداية جيدة لمقال مستقبلي، حيث سنتعلم كيفية إدارة استخدام طاقة حزمة البطارية، بالإضافة إلى التحكم في مشكلات السلامة المحيطة توليد الحرارة، وفقدان الطاقة، و... بالطبع... خطر نشوب حريق في بطارية السيارة الكهربائية.
إذا كنت تحب All-Things-Tesla، فهذه فرصتك لشراء نسخة Hot Wheels RC من Tesla Cybertruck.
تيموثي بوير هو مراسل Tesla وEV لـ Torque News في سينسيناتي. يتمتع بخبرة في الترميم المبكر للسيارات، ويقوم بانتظام بترميم المركبات القديمة وتعديل المحركات لتحسين الأداء. تابع تيم على Twitter @TimBoyerWrites للحصول على أخبار Tesla وEV اليومية.
وقت النشر: 21 فبراير 2022