ما هي الطاقة المحددة؟

الطاقة المحددة تقيس كمية الطاقة المخزنة لكل وحدة كتلة من مادة أو نظام. يتم التعبير عن هذا المقياس بالجول لكل كيلوغرام (J/kg) أو -الساعة لكل كيلوغرام (Wh/kg)، ويحدد مقدار الطاقة القابلة للاستخدام التي تحتوي عليها كتلة معينة، مما يجعله ضروريًا لمقارنة تقنيات تخزين الطاقة وفهم قدرات المواد.

تختلف الطاقة النوعية بشكل أساسي عن كثافة الطاقة، على الرغم من الخلط بين المصطلحين في كثير من الأحيان. في حين أن كثافة الطاقة تقيس الطاقة لكل وحدة حجم (Wh/L)، فإن الطاقة المحددة تركز حصريًا على الكتلة. يعد هذا التمييز ذا أهمية كبيرة في التطبيقات التي تؤثر فيها قيود الوزن على قرارات التصميم-من المركبات الفضائية إلى الأجهزة الإلكترونية المحمولة إلى المركبات الكهربائية.

تتضمن الفيزياء الكامنة وراء الطاقة المحددة العلاقة بين الطاقة المخزنة والكتلة المطلوبة لاحتوائها. في البطاريات، يشمل هذا الطاقة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية مقسومة على الكتلة الإجمالية للأقطاب الكهربائية، والكهارل، والفواصل، والغلاف. بالنسبة للوقود، فهو يمثل الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق بالنسبة إلى كتلة الوقود.

Specific Energy

توضح بطاريات الليثيوم-أيون أهمية طاقة معينة في التكنولوجيا الحديثة. تحقق خلايا أيون الليثيوم- الحالية طاقات محددة تتراوح بين 250-270 وات ساعة/كجم، مما يتيح للهواتف الذكية العمل لساعات والمركبات الكهربائية من السفر لمئات الأميال. وبالمقارنة، توفر بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية ما بين 30 إلى 50 وات/كجم فقط، وهو ما يفسر سبب استبدالها إلى حد كبير في التطبيقات المحمولة على الرغم من انخفاض تكلفتها.

الابتكارات الحديثة تدفع هذه الحدود إلى أبعد من ذلك. تعد بطاريات الحالة الصلبة- قيد التطوير بطاقة محددة تتجاوز 350 وات ساعة/كجم، في حين أظهرت أنظمة الليثيوم المعدنية المتقدمة-من شركات مثل Amprius 400 وات ساعة/كجم في تطبيقات الطيران المتخصصة. تترجم هذه التحسينات مباشرة إلى وقت تشغيل أطول للجهاز أو نطاق مركبة ممتد دون إضافة وزن.

تعتمد الطاقة النوعية للبطاريات على عدة عوامل: مواد الأقطاب الكهربائية، وكيمياء الخلايا، وكفاءة التصميم. تعمل الكاثودات الغنية بالنيكل- على زيادة تخزين الطاقة ولكنها تمثل تحديات تتعلق بالاستقرار. توفر أنودات السيليكون قدرة أعلى من الجرافيت التقليدي ولكنها تشهد توسعًا في الحجم أثناء الشحن. يمثل كل خيار تصميم مقايضة بين طاقة محددة وخصائص الأداء الأخرى مثل عمر الدورة والسلامة والتكلفة.

يحافظ الوقود الأحفوري على طاقات محددة أعلى بكثير من البطاريات. يحتوي البنزين على ما يقرب من 12,700 واط ساعة/كجم (46 ميجا جول/كجم)، بينما يصل الديزل إلى 13,000 واط ساعة/كجم. وهذا ما يفسر لماذا، على الرغم من عقود من تطور البطاريات، يظل الوقود السائل هو المهيمن في مجال الطيران والنقل لمسافات طويلة-حيث يكون للوزن أهمية بالغة.

يقدم الهيدروجين حالة مثيرة للاهتمام بطاقة محددة تبلغ 33,300 واط ساعة/كجم-ما يقرب من ثلاثة أضعاف طاقة البنزين. ومع ذلك، تتطلب كثافتها المنخفضة للغاية إما ضغطًا عاليًا-أو تبريدًا مبردًا، مما يؤدي إلى إضافة كتلة النظام التي تقلل الطاقة العملية المحددة بشكل كبير. وبالمثل، يتمتع الغاز الطبيعي بطاقة نوعية عالية لكل وحدة كتلة ولكنه يتطلب أنظمة تخزين ثقيلة.

في التغذية، تحدد الطاقة المحددة كثافة السعرات الحرارية. توفر الدهون ما يقرب من 38 كيلوجول/جم (9 كالوري/جم)، أي أكثر من ضعف البروتينات والكربوهيدرات عند 16-17 كيلوجول/جم (4 كالوري/جم لكل منهما). وهذا ما يفسر سبب احتواء الأطعمة الغنية بالدهون-على سعرات حرارية أكثر لكل جرام - فالطاقة المحددة للمغذيات الكبيرة تهيمن على الحساب.

يؤثر محتوى الماء بشكل كبير على الطاقة الخاصة بالغذاء لأن الماء يضيف كتلة دون المساهمة بالطاقة. قد تحتوي الخضروات الطازجة على 0.5-1 كيلوجول/جرام فقط، بينما تتجاوز المكسرات المجففة 25 كيلوجول/جرام، على الرغم من أن كلاهما من الأطعمة النباتية.

يدور تصميم السيارة الكهربائية حول قيود محددة للطاقة. تزن حزمة البطارية بقدرة 75 كيلووات في الساعة التي تستخدم خلايا بقدرة 250 وات في الساعة/كجم 300 كجم، وهو ما يمثل حوالي 15-20% من وزن السيارة. ستؤدي زيادة الطاقة الخاصة بالبطارية إلى 350 وات/كجم إلى تقليل ذلك إلى 214 كجم، مما يحرر 86 كجم لسعة الركاب أو النطاق الممتد.

ويأتي تخفيض الوزن هذا من خلال تصميم السيارة. تتطلب المركبات الأخف وزنًا طاقة أقل للتسارع وتسلق التلال، ومحركات أصغر، وأنظمة تعليق أقل قوة. تستهدف صناعة السيارات طاقات محددة للبطارية تبلغ 400-500 وات ساعة/كجم لجعل وزن السيارات الكهربائية منافسًا لسيارات البنزين، التي تحتاج فقط إلى حمل 50-60 كجم من الوقود لنطاق مماثل.

تواجه الطائرات والمركبات الفضائية متطلبات طاقة محددة أكثر صرامة. كل كيلوغرام يتم رفعه إلى المدار يكلف آلاف الدولارات من الوقود، مما يجعل البطاريات ذات الطاقة النوعية العالية ضرورية للأقمار الصناعية والمركبات الفضائية. تستخدم مركبات المريخ الجوالة التابعة لناسا خلايا أيون الليثيوم- المختارة خصيصًا لمزيجها من الطاقة المحددة والموثوقية في درجات الحرارة القصوى.

يعتمد تطوير الطيران الكهربائي على اختراقات البطارية تتيح تقنية أيون الليثيوم- الحالية استخدام الطائرات الصغيرة بدون طيار ومركبات التنقل الجوي قصيرة المدى-في المناطق الحضرية، إلا أن الطائرات الإقليمية تتطلب طاقات محددة تتجاوز 500 وات ساعة/كجم حتى تصبح قابلة للاستخدام. تقوم الشركات التي تسعى إلى تصنيع طائرات كهربائية بمراقبة تطوير البطاريات عن كثب، حتى أن التحسينات الصغيرة في الطاقة المحددة تفتح المجال لتصميمات طائرات جديدة.

يقوم مصنعو الهواتف الذكية بموازنة طاقة معينة مع عوامل أخرى مثل سرعة الشحن والسلامة. تستخدم الهواتف الحديثة حوالي 250-270 وات ساعة/كجم، مما يتيح التشغيل طوال اليوم- في الأجهزة التي يتراوح وزنها بين 150 و200 جرام. تتيح زيادة الطاقة المحددة عمرًا أطول للبطارية أو تصميمات أقل سمكًا وأخف وزنًا، وكلاهما يحظى بتقدير المستهلكين.

تواجه بطاريات الكمبيوتر المحمول قيودًا مماثلة ولكن بأولويات مختلفة. تزن بطارية الكمبيوتر المحمول النموذجية ما بين 300 إلى 400 جرام وتخزن ما بين 50 إلى 100 واط في الساعة، باستخدام خلايا ذات طاقة محددة مشابهة للهواتف ولكنها مُحسَّنة لمعدلات تفريغ وخصائص حرارية مختلفة.

تمثل الطاقة المحددة والقوة المحددة أبعاد أداء متميزة. تقيس الطاقة المحددة (W/kg) مدى سرعة توصيل النظام للطاقة، بينما تقيس الطاقة المحددة مقدار الطاقة الإجمالية التي يخزنها. عادةً ما تضحي البطاريات المُحسّنة للطاقة النوعية العالية بقدرة محددة، والعكس صحيح.

توضح بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LFP) هذه المقايضة. إنها توفر طاقة نوعية أقل (120-160 وات ساعة/كجم) من البدائل الغنية بالنيكل- ولكنها توفر طاقة نوعية أعلى ودورة حياة أفضل. تستخدم الأدوات الكهربائية خلايا عالية الطاقة على الرغم من أنها توفر وقت تشغيل أقل، لأن توفير تيار كافٍ لتشغيل المحرك له الأولوية على السعة الإجمالية.

تعرض مؤامرة راغون هذه العلاقة بيانيا، حيث تظهر طاقة محددة على أحد المحاور وقوة محددة على المحور الآخر. تشغل كيميائيات البطاريات المختلفة مناطق مختلفة، مما يكشف عن عدم وجود تقنية واحدة تتفوق في كليهما. يجب أن تختار التطبيقات بطاريات تتوافق مع متطلباتها-طاقة عالية لمدة طويلة، أو طاقة عالية لفترات قصيرة، أو تصميمات توافقية للاستخدام المختلط.

تمثل الطاقة المحددة مقياس أداء واحدًا فقط. قد تعاني البطارية ذات الطاقة المحددة الاستثنائية من ضعف دورة الحياة، أو مخاوف تتعلق بالسلامة، أو التكلفة العالية، أو نطاق درجات الحرارة المحدود. تُظهر بطاريات الليثيوم-الكبريت طاقة نظرية عالية محددة (650 وات ساعة/كجم) ولكنها تواجه تحديات تتمثل في ذوبان الكبريت ودورة الحياة المنخفضة التي تمنع تسويقها.

تؤثر عمليات التصنيع على الطاقة العملية المحددة. تتجاوز الطاقة المحددة لمستوى الخلية-قيم مستوى الحزمة-بسبب الكتلة المضافة من دوائر الحماية وأنظمة التبريد والعناصر الهيكلية. قد توفر الخلية التي تحقق 270 وات/كجم 180-200 وات/كجم فقط على مستوى العبوة - وهو تمييز مهم لمصممي النظام.

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على توصيل الطاقة المحددة. تقلل الظروف الباردة من سعة البطارية، مما يقلل بشكل فعال من الطاقة المحددة أثناء التفريغ. تواجه السيارات الكهربائية نطاقًا منخفضًا في الشتاء، ويرجع ذلك جزئيًا إلى عدم قدرة البطاريات على توفير طاقتها المحددة الكاملة في درجات حرارة منخفضة.

Specific Energy

تسعى الأبحاث إلى تحسينات محددة للطاقة من خلال أساليب متعددة. تعمل مواد الكاثود المتقدمة مثل الليثيوم-النيكل-المنجنيز-أكسيد الكوبالت-(NMC) مع محتوى النيكل العالي على زيادة تخزين الطاقة عند القطب الموجب. تقوم الأنودات القائمة على السيليكون- بتخزين الليثيوم أكثر من الجرافيت، مما يعزز السعة. يدفع كل تقدم طاقة معينة إلى أعلى بينما يعمل الباحثون على التغلب على التحديات المرتبطة به.

تعد إلكتروليتات الحالة الصلبة- بتحقيق مكاسب كبيرة من خلال تمكين أنودات معدن الليثيوم، والتي توفر طاقة محددة أعلى بكثير من الجرافيت. تسعى الشركات بما في ذلك QuantumScape وSolid Power وSamsung إلى التسويق التجاري، مستهدفة طاقات محددة تتراوح بين 400-500 واط ساعة/كجم. ومن شأن النجاح أن يحدث تحولاً في السيارات الكهربائية والإلكترونيات الاستهلاكية.

تمثل بطاريات الليثيوم-الهوائية إمكانية-مدى أطول مع طاقة محددة نظرية تقترب من 11,140 واط ساعة/كجم-مقارنة بالبنزين. ومع ذلك، فإن العديد من العقبات التقنية بما في ذلك استقرار المنحل بالكهرباء، وحساسية ثاني أكسيد الكربون، ودورة الحياة المحدودة تجعلها محصورة في المختبرات. لا تزال بطاريات الليثيوم الهوائية-العملية متاحة لسنوات أو عقود.

لفهمما هي بطاريات الليثيومولماذا تهيمن على تخزين الطاقة الحديثة، فإن الطاقة المحددة توفر الإجابة الأساسية. أدى تطوير تكنولوجيا أيونات الليثيوم- في التسعينيات إلى زيادة الطاقة النوعية للبطارية من 120 وات ساعة/كجم في خلايا Sony المبكرة إلى أكثر من 270 وات ساعة/كجم في التصميمات الحالية-أي أكثر من الضعف خلال ثلاثة عقود.

تُظهر أنواع بطاريات الليثيوم المختلفة مستويات طاقة محددة مختلفة بناءً على كيميائيتها. تحقق خلايا أكسيد الكوبالت الليثيوم (LCO) المستخدمة في الهواتف أعلى طاقة محددة ولكن مع دورة حياة محدودة ومخاوف تتعلق بالسلامة. يتاجر فوسفات حديد الليثيوم (LFP) بطاقة محددة من أجل السلامة وطول العمر، مما يجعله مفضلاً للحافلات الكهربائية والتخزين الثابت على الرغم من انخفاض الطاقة النوعية.

إن الدفع نحو طاقة نوعية أعلى يدفع إلى البحث عن المواد. تمثل مواد الكاثود جزءًا كبيرًا من وزن الخلية، لذا فإن تطوير كاثودات كثيفة أخف وزنًا وذات طاقة أكبر-يعمل بشكل مباشر على تحسين طاقة معينة. يساعد أيضًا تقليل المواد غير النشطة-المجمعات والفواصل والتعبئة الحالية-على تقليل الكتلة دون تقليل الطاقة المخزنة.

تعتمد السيارات الكهربائية الحديثة بشكل كبير على قدرات الطاقة الخاصة ببطارية الليثيوم. تخزن حزمة بطارية السيارة الكهربائية النموذجية ما بين 50 إلى 100 كيلووات في الساعة باستخدام خلايا ذات طاقة محددة تبلغ 250 إلى 270 وات في الساعة/كجم. يتيح ذلك نطاقًا يتراوح بين 200 إلى 400 ميل مع الحفاظ على وزن البطارية تحت السيطرة. مع زيادة الطاقة المحددة نحو 350-400 واط ساعة/كجم، يمتد النطاق بشكل متناسب أو ينخفض وزن البطارية، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة السيارة.

تعتمد الإلكترونيات الاستهلاكية بالمثل على الطاقة الخاصة ببطارية الليثيوم. تستخدم الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والأجهزة القابلة للارتداء خلايا الليثيوم-أيون أو الليثيوم-بوليمر على وجه التحديد لأن طاقتها النوعية العالية تسمح بوقت تشغيل مناسب في أجهزة صغيرة الحجم وخفيفة الوزن. وبدون مزايا الطاقة المحددة التي توفرها تكنولوجيا الليثيوم، فإن الحوسبة المتنقلة الحديثة ستكون مستحيلة.

تقيس الطاقة المحددة الطاقة لكل وحدة كتلة (Wh/kg)، بينما تقيس كثافة الطاقة الطاقة لكل وحدة حجم (Wh/L). التطبيقات التي يكون الوزن فيها أكثر أهمية-مثل الطائرات أو حقائب الظهر-تعطي الأولوية لطاقة معينة. التطبيقات التي تكون فيها المساحة محدودة-مثل الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية في حاويات ثابتة-غالبًا ما تعطي الأولوية لكثافة الطاقة بدلاً من ذلك.

من بين البطاريات التجارية، تحقق خلايا أيون الليثيوم- المتقدمة ذات الكاثودات الغنية بالنيكل- حاليًا أعلى طاقة نوعية تبلغ 250-300 وات ساعة/كجم. أثبتت بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة- التجريبية أنها تبلغ 400-500 وات ساعة/كجم في ظروف المختبر. تصل بطاريات الليثيوم-الهواء نظريًا إلى 11,140 واط ساعة/كجم، لكنها تظل بعيدة عن الاستخدام العملي.

يخزن البنزين الطاقة في روابط كيميائية تنطلق أثناء الاحتراق مع الأكسجين الجوي. نظرًا لعدم احتساب الأكسجين في كتلة البنزين، فإن طاقته النوعية تبدو أعلى بكثير (12700 واط ساعة/كجم). يجب أن تحمل البطاريات كلاً من الوقود والمادة المؤكسدة، مما يحد من طاقتها النوعية. يفسر هذا الاختلاف الأساسي سبب صعوبة البطاريات في مطابقة كثافة طاقة الوقود الأحفوري.

ليس بالضرورة. تمثل الطاقة المحددة بعدًا واحدًا فقط للأداء. قد تكون البطاريات ذات الطاقة النوعية العالية ذات دورة حياة سيئة، أو مخاطر تتعلق بالسلامة، أو تكاليف مرتفعة، أو إنتاج طاقة محدود. تعتمد البطارية الأفضل على متطلبات التطبيق-أحيانًا ما يكون أداء تصميمات الطاقة المحددة الأقل أفضل بشكل عام بسبب الخصائص الفائقة في مناطق أخرى.

يتطلب قياس طاقة معينة إجراءات اختبار دقيقة. بالنسبة للبطاريات، تتضمن البروتوكولات القياسية شحن الخلية بالكامل، ثم تفريغها بمعدلات محددة أثناء قياس الطاقة المسلمة. يؤدي قسمة إجمالي إنتاج الطاقة على كتلة الخلية إلى الحصول على طاقة محددة بوحدة Wh/kg.

تحتفظ العديد من المنظمات بمعايير لقياس طاقة محددة. تنشر اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) إجراءات الاختبار لضمان الاتساق بين الشركات المصنعة. يمكن أن تختلف النتائج بناءً على معدل التفريغ ودرجة الحرارة ومنهجية الاختبار، لذا فإن مقارنة قيم الطاقة المحددة تتطلب فهم ظروف الاختبار.

تختلف قياسات مستوى الخلية- عن قيم مستوى الحزمة-بشكل كبير. تشتمل حزم البطاريات على إلكترونيات الإدارة وأنظمة التبريد والمكونات الهيكلية التي تضيف كتلة دون تخزين الطاقة. تصل الطاقة المحددة لمستوى الحزمة-عادةً إلى 65-75% من قيم مستوى الخلية. ويجب على مصممي النظام مراعاة هذا التخفيض عند حساب أداء التطبيق.

Specific Energy

تتبع تحسينات الطاقة المحددة مسارًا يمكن التنبؤ به استنادًا إلى خصائص المواد الأساسية والتقدم في التصنيع. وتستمر المكاسب الإضافية مع قيام الباحثين بتحسين تركيبات الأقطاب الكهربائية، وتقليل كتلة المواد غير النشطة، وتحسين كفاءة التصنيع. تشير التوقعات الحالية إلى أن الطاقة النوعية لأيون الليثيوم- ستصل إلى 350-400 وات ساعة/كجم خلال العقد القادم من خلال التحسينات التطورية.

تتطلب التغييرات الثورية كيمياء جديدة. يمكن أن ترتفع بطاريات الحالة الصلبة- إلى 400-500 وات ساعة/كجم إذا تم حل التحديات التقنية. تعد بطاريات الليثيوم-الكبريت والليثيوم-الهوائية بطاقة نوعية أعلى ولكنها تواجه عقبات كبيرة في التطوير. توفر بطاريات أيونات الصوديوم تكلفة أقل على حساب طاقة محددة، وتستهدف التطبيقات التي يكون فيها الوزن أقل أهمية من الاقتصاد.

يمتد تأثير الطاقة المحددة الأعلى إلى ما هو أبعد من التطبيقات الواضحة. يصبح تخزين الطاقة على نطاق الشبكة- أكثر قابلية للتطبيق مع تحسن الطاقة الخاصة بالبطارية وانخفاض التكاليف. تكتسب الأجهزة الطبية المحمولة فترة تشغيل أطول بين عمليات الشحن. تصبح الأدوات الكهربائية أخف وزنًا دون التضحية بوقت التشغيل. كل تحسن تدريجي في طاقة معينة يتيح إمكانيات جديدة عبر العديد من الصناعات.

بالنسبة للنقل الكهربائي على وجه التحديد، تعمل تحسينات الطاقة المحددة على تعزيز الاعتماد من خلال تقليل الوزن والتكلفة للبطاريات مقابل الوقود الأحفوري. كل زيادة بمقدار 50 وات/كجم في الطاقة المحددة تترجم إلى زيادة في نطاق السيارة بنسبة 15-20% تقريبًا أو انخفاض مكافئ في الوزن، مما يسرع الانتقال إلى التنقل الكهربائي. تنظر صناعة السيارات إلى 400 واط/كجم كحد أدنى يجعل السيارات الكهربائية قادرة على المنافسة من حيث الوزن والتكلفة مع المركبات التقليدية في جميع قطاعات السوق.

إن فهم طاقة محددة وآثارها يساعد المهندسين والمصممين والمستهلكين على اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن تقنيات تخزين الطاقة. سواء كان اختيار كيمياء البطارية لمنتج جديد، أو تقييم مطالبات نطاق السيارة الكهربائية، أو فهم سبب بقاء بعض التطبيقات خارج نطاق قدرات البطارية، فإن الطاقة المحددة توفر سياقًا أساسيًا. ومع دفع الأبحاث بهذا المقياس إلى أعلى، تصبح التطبيقات التي كانت مستحيلة سابقًا ممكنة، مما يوسع دور تخزين الطاقة الكهربائية في التكنولوجيا الحديثة.