الميزات الرئيسية: بطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO₄، LFP)، التي تستخدم ليثيوم حديد الفوسفات كمادة نشطة في القطب الموجب، والجرافيت كقطرب سالب، و محلول كربونات مختلط كإلكتروليت، تُعَدُّ حاليًّا النوع السائد من البطاريات في مجالات الطاقة وتخزين الطاقة. وتتمثَّل مزاياها الأساسية في السلامة، والطول الكبير لعمرها الافتراضي، والصداقة للبيئة والفعالية من حيث التكلفة. ويظل منسوب جهدها ثابتًا عند 3.2 فولت، كما أن التفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء الشحن والتفريغ خفيفة، وتتميَّز هذه البطاريات باستقرار حراري عالٍ جدًّا. ويمكنها اجتياز اختبارات السلامة الصارمة مثل اختبار الثقب بالإبرة، واختبار الضغط، واختبار التخزين عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يحقِّق متطلبات المعيار الصيني GB 38031-2020. ولا توجد أية مخاطر لحدوث اشتعال أو انفجار خلال خمس دقائق بعد حدوث الانفلات الحراري، ما يُظهر ميزة أمان بارزة مقارنةً بالبطاريات ثلاثية المعادن.
عمر الدورة هو ميزة تنافسية أساسية. وفقًا للمعيار الوطني GB/T 36276، وباعتبار انخفاض السعة إلى ٨٠٪ معيارًا، تحقق المنتجات الرئيسية ٣٠٠٠–٤٠٠٠ دورة عند عمق تفريغ (DOD) يبلغ ٨٠٪، بينما يمكن للمنتجات المتطوّرة أن تتجاوز ٦٠٠٠ دورة في الاختبارات المخبرية. أما في التطبيقات العملية، فتستخدم أنظمة تخزين الطاقة المنزلية نطاق شحن وتفريغ يتراوح بين ٢٠٪ و٨٠٪ من سعة الشحن (SOC)، ما يؤدي إلى انخفاض سنوي في السعة لا يتجاوز ٢٫٥٪، وبالتالي عمر افتراضي يتراوح بين ١٢ و١٥ سنة؛ وفي وضع الشحن والتفريغ الضحل بنسبة ٥٠٪، يمكن توسيع عدد الدورات إلى ٨٠٠٠ دورة، مما يتناسب تمامًا مع متطلبات التكرار العالي للدورات في أنظمة تخزين طاقة الطاقة الشمسية.
تُعالَج التطورات التكنولوجية المستمرة أوجه القصور في الأداء. وقد حقَّقت منتجات الجيل الرابع عالية الجهد والكثافة إنتاجًا جماعيًّا واسع النطاق، حيث بلغت كثافة الطاقة للخلية الواحدة ١٩٠ واط·ساعة/كجم، وكثافة الطاقة للنظام أكثر من ٢٠٥ واط·ساعة/كجم، ما يقارب مستوى بطاريات الترينياري. وفي الوقت نفسه، وبفضل التحسينات التي أُدخلت باستخدام إلكتروليتات جديدة وتكنولوجيا الإدارة الحرارية، تم التحكم في انخفاض المدى في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة (-٣٠°م) ضمن حدود ٢٠٪، كما أن تقنية الشحن الفائق السرعة ٤C قادرة على شحن البطارية بنسبة ٨٠٪ خلال ١٥ دقيقة، مما يحل أبرز المشكلات التقليدية المتعلقة بالأداء عند درجات الحرارة المنخفضة والشحن السريع.
تتميَّز هذه البطاريات بمزايا بيئية واقتصادية بارزة. فهي لا تحتوي على معادن ثقيلة نادرة مثل الكوبالت والنيكل، وتتوافق مع لوائح التنظيم البيئي RoHS وREACH، ولها انبعاثات كربونية منخفضة طوال دورة حياتها، ويمكن تفكيكها وإعادة تدويرها بشكل آمن وفقًا للمعيار GB/T 34015-2017 بعد سحبها من الخدمة. وبفضل توافر المواد الخام بسهولة، فإن تكلفتها أقل بنسبة ١٥٪–٢٠٪ مقارنةً ببطاريات الليثيوم الثلاثية. علاوةً على ذلك، يدعم نظام إدارة البطاريات (BMS) تنبيهات الأعطال على ثلاثة مستويات واستجابة لفصل الدائرة في غضون جزء من الألف من الثانية، ما يلبّي متطلبات التصميم الزائد (Redundancy) لمحطات تخزين الطاقة الكبيرة الحجم.
التطبيقات النموذجية: وبفضل خصائص أدائها، يغطي هذا المنتج على نطاق واسع مختلف سيناريوهات الاستخدام. ففي قطاع المركبات الجديدة للطاقة، تدعم منتجات مثل بطارية «بليد» (Blade Battery) الخاصة بشركة BYD التشغيل المستقر للمركبة لمسافة تصل إلى ٦٠٠٠٠٠ كيلومتر؛ وفي مجال تخزين الطاقة، يهيمن هذا المنتج على مشاريع تخزين طاقة الطاقة الشمسية/الرياح ومشاريع تنعيم قمم الحمل في الشبكات الكهربائية، كما أنه مناسب أيضًا لأنظمة تخزين الطاقة المنزلية؛ أما في السيناريوهات التجارية، فإن الحافلات الكهربائية والمركبات الكهربائية منخفضة السرعة ومحطات القواعد الاتصالية — وهي معدات تتطلب درجة عالية من الأمان وطول العمر — تستخدمها جميعًا كمصدر طاقة رئيسي لها. وبقيت وتيرة نمو حجم السوق العالمي مركبة سنويًّا تزيد عن ٢٠٪، ومن المتوقع أن تتجاوز ١٥٠ مليار يوان صيني بحلول عام ٢٠٢٨.
عملية إعداد مادة الكاثود القياسية: تُعَدُّ مادة الكاثود المكوِّن الأساسي الذي يحدِّد أداء البطارية، وتشمل عملية إعدادها خطوتين رئيسيتين: إعداد المادة الأولية (السابقة) وتوليف المادة النهائية. وتُعَدُّ طريقة الاختزال الصلب بالحرارة باستخدام الكربون الطريقة الصناعية القياسية المستخدمة على نطاق واسع.
تتم الخطوة الأولى بإعداد مادة فوسفات الحديد الأولية. ويُستخدم كبريتات الحديدوز السباعية المائية كمصدر للحديد، وحمض الفوسفوريك الصناعي كمصدر للفوسفور، ثم يُؤكسَد أيون الحديد الثنائي (Fe²⁺) إلى أيون الحديد الثلاثي (Fe³⁺) باستخدام بيروكسيد الهيدروجين. وتُستخدَم محلول الأمونيا لضبط درجة الحموضة (pH) إلى ما بين ١٫٥ و٢٫٥ لترسيب فوسفات الحديد. وبعد الترشيح باستخدام مرشحات لوحيّة-إطارية وغسل المادة بماء نقي لإزالة الشوائب، تُجفَّف المادة جفافاً سريعاً ثم تُسخَّن عند درجة حرارة تتراوح بين ٥٠٠ و٦٠٠°م للحصول على مادة فوسفات الحديد السباعية المائية ذات الدرجة البطارية، والتي تكون نسبة الحديد إلى الفوسفور فيها تقريباً ٠٫٩٧:١.
الخطوة الثانية هي تركيب فوسفات الليثيوم والحديد. ويتم خلط فوسفات الحديد اللامائي وكربونات الليثيوم (بنسبة مولية تبلغ ١٠٥٪) ومصدر الكربون المتمثل في الجلوكوز وفقاً لنسب محددة. ثم يُطحن الخليط رطباً للحصول على عجينة دقيقة ذات قطر متوسط (D50) يتراوح بين ٠,٢ و٠,٦ ميكرومتر. وبعد التجفيف بالرش، يُرسل المادة إلى فرن أسطواني تحت حماية غاز النيتروجين، وباستخدام عملية تلبيد على مرحلتين: التحلل الأولي للمواد الخام عند درجة حرارة ٣٥٠°م لمدة ٤ ساعات، يليه تسخينها إلى درجة حرارة تتراوح بين ٧٠٠ و٨٠٠°م لمدة ٩–٢٠ ساعة لإكمال عملية الاختزال الحراري الكربوني. ويقوم مصدر الكربون بتخفيض أيونات Fe³⁺ إلى Fe²⁺ وتكوين طبقة رقيقة من الكربون الموصل على سطح الجسيمات. وبعد إتمام عملية التلبيد، تخضع المادة لعملية طحن هوائي بالهواء المضغوط، ثم الفرز والغربلة، وإزالة الشوائب الحديدية بواسطة مجال مغناطيسي قوي، للحصول أخيراً على مادة كاثودية مركبة سوداء ذات بنية بلورية أوليفينية وقدرة توصيلية محددة تتراوح بين ١٥٥ و١٦٥ ملي أمبير/غرام.
تُعتبر طريقة الطور السائل عمليةً تكميليةً، وتتمثّل مثالياً في طريقة التبخر الذاتي المُسخَّن ذاتياً التي تستخدمها شركة ديفانغ نانو. وهذه العملية أبسط: فبعد خلط المواد الخام وذوبانها في معلق، يُسخَّن الخليط مبدئياً ويتبخّر ذاتياً داخل خزان التفاعل ليشكّل سلفاً هلامياً على هيئة هيكلٍ سداسي الشكل (مشابه للخلايا النحلية). وبعد التكسير الأولي والتجفيف في حوض هوائي، يُحمّى المادة حرارياً (يُصهر) لإتمام التكليس. وتتيح هذه الطريقة الاستغناء عن إعداد سلف فوسفات الحديد بشكل منفصل، ما يؤدي إلى تحقيق خلطٍ أكثر انتظاماً للمواد، لكنها تتطلّب دقةً أعلى في التحكم في درجة الحرارة. وحالياً، تُستخدَم هذه الطريقة أساساً في إنتاج بطاريات التخزين عالية الأداء. ثانيًا: تجميع الخلايا والمراحل اللاحقة للتصنيع: بعد إعداد مادة القطب الموجب، تمرّ هذه المادة بعمليات الطلاء والدرفلة والقطع لتشكيل شريحة القطب الموجب. ثم تُرتَّب هذه الشريحة أو تُلفّ مع شريحة القطب السالب المصنوعة من الجرافيت والفاصل الكهربائي ضمن تركيب «موجب–فاصل–سالب»، وتُوضع داخل غلاف ألمنيومي (للبطاريات الرباعية الشكل) أو غلاف فولاذي (للبطاريات الأسطوانية الشكل) لتكوين الخلية. وبعد حقن الإلكتروليت المختلط المستند إلى الكربونات، تمرّ الخلية بعملية التكوين (Formation) لتنشيطها. وتُستخدم عملية الشحن عند تيارٍ و جهدٍ ثابتين لتكوين فيلم عازل تمريري (SEI) على سطح الأقطاب. وأخيراً، تُجرى عمليات التعتيق (Aging) واختبار السعة والفرز لاستبعاد المنتجات غير المطابقة للمواصفات من حيث السعة والمقاومة الداخلية، مما يضمن اتساق الخلايا.
