מדוע צפיפות האנרגיה חשובהבשוק הרחפנים/מל"טים
הצמיחה האקספוננציאלית של תעשיית הרחפנים תלויה באופן משמעותי בהתקדמות בטכנולוגיית הסוללה. צפיפות אנרגיה גבוהה במיוחד- הופכת לגורם קריטי בהפעלת טיסות ארוכות יותר ויישומים מגוונים יותר.
צפיפות אנרגיה גבוהה יותר פירושה שמל"טים יכולים לעוף זמן רב יותר ולשאת משקל רב יותר. יכולת זו חיונית להרחבת השימושים במזל"טים מעבר לצילום כדי לכלול תחבורה, מעקב וניטור סביבתי.
יתרונות עבור מזל"ט מסחריs & השפעה סביבתית
מזל"טים מסחריים, במיוחד אלה המשמשים במשלוח חבילות ובדיקות תעשייתיות, נהנים מאוד מסוללות בצפיפות אנרגיה גבוהה. הם יכולים לנסוע מרחקים ארוכים יותר בטעינה בודדת, מה שהופך אותם ליעילים יותר ויעילים יותר-.
סוללות בצפיפות אנרגיה גבוהה הן גם ידידותיות יותר לסביבה. הם מחזיקים מעמד זמן רב יותר ומפחיתים את תדירות החלפת הסוללות, ומקטינים את טביעת הרגל הסביבתית של פעולות רחפנים.
מהי צפיפות האנרגיה של הסוללה?
צפיפות אנרגיה היא כמה אנרגיה מאוחסנת ביחידת מרחב או ביחידת מסה של חומר. צפיפות האנרגיה של סוללה היא כמות האנרגיה החשמלית המשתחררת על ידי נפח היחידה או המסה הממוצעת של הסוללה, המחולקת בדרך כלל לשני ממדים: צפיפות האנרגיה המשקל וצפיפות האנרגיה הנפחית.
ניתן לחשב בפשטות את צפיפות האנרגיה של הסוללה באמצעות נוסחה זו: מתח נומינלי (V) * קיבולת מדורגת (Ah) / משקל סוללה (ק"ג)=אנרגיה ספציפית או צפיפות אנרגיה (Wh/kg).
צפיפות האנרגיה של סוגים שונים של סוללות נטענות היא כדלקמן:
צפיפות האנרגיה של סוללת עופרת חומצה נעה בין 50-70 וואט/ק"ג;
צפיפות האנרגיה של סוללת ניקל-קדמיום נעה בין 50-80 וואט/ק"ג;
צפיפות האנרגיה של סוללת ניקל-מתכת הידריד נעה בין 60-140 וואט/ק"ג;
צפיפות האנרגיה של סוללת ליתיום- נעה בין 150-300 וואט/ק"ג;
לסוללות-עופרת יש צפיפות אנרגיה נמוכה. אם הם משמשים לנהיגה במכונית משפחתית לאורך יותר מ-200 ק"מ, זה דורש כמעט טון אחד של סוללות, שהוא כבד מדי מכדי לשמש כמקור כוח לכלי רכב חשמליים. סיבה נוספת היא ש-Pb הוא רעיל, לא ידידותי לסביבה, וביצועי המחזור של סוללות חומצה עופרת- גרועים. בעוד שצפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום- היא בערך 150~300 וואט/ק"ג, וזה הרבה יותר גבוה מזה של סוללות{10}}עופרת, כמו כן עם ביצועי המחזור, אז סוללות ליתיום-יון הן הבחירה הטובה ביותר לפיתוח רכבים חשמליים חדשים באנרגיה.
נכון לעכשיו, ישנם שני מסלולים טכניים עיקריים לסוללות ליתיום-בעלות צפיפות- גבוהה-: סוללות LiFePO4 חסכוניות וסוללות ליתיום ניקל מנגן קובלט אוקסיד (NMC) בינוניות- עד-גבוהות{{5}.
בשנת 2015, סוללות LiFePO4 היו הזרם המרכזי של השוק. באותה תקופה, צפיפות האנרגיה של רוב מערכות הסוללות LiFePO4 בשוק הייתה בסביבות 70-90Wh/kg, בעוד שצפיפות האנרגיה של סוללות NMC הייתה גבוהה בהרבה והגיעה ל-130Wh/kg. על מנת לפתוח במהירות את שוק מכוניות הנוסעים הרגיש לטווח נסיעה, ממשלת סין הציעה לראשונה לקחת את צפיפות האנרגיה של הסוללה כאינדיקטור במדיניות הסבסוד החדשה לרכבי אנרגיה בשנת 2016. ככל שצפיפות האנרגיה גבוהה יותר, כך יותר סובסידיות. מבנה השוק של סוללות LiFePO4 וסוללות NMC החל להשתנות, וחברות רכב גדולות החלו להחליף סוללות NMC בקנה מידה גדול. מאז יוני 2019, עם ביטול הסובסידיות ועלות הייצור הגבוהה של סוללות ליתיום NMC, סוללות LiFePO4 חזרו להיות פתרון האנרגיה העיקרי בשוק. כדי להסתגל לפיתוח השוק, כל יצרני הסוללות הגדולים החלו באסטרטגיה דו-קווית של LiFePO4 + NMC. כעת סוללת LiFePO4 הגיעה לצפיפות אנרגיה של 210Wh/kg.
איזה גבולedאתסוללות ליתיום פולימר צפיפות אנרגיה?
ישנם ארבעה חלקים מרכזיים של סוללת ליתיום: אנודה, קתודה, אלקטרודה ודיאפרגמה, שכולם משפיעים על צפיפות האנרגיה של הסוללה. והאלקטרודות הן המקומות שבהם מתרחשות תגובות כימיות. המפתח לשיפור צפיפות האנרגיה של סוללות הוא פיתוח חומרי אלקטרודות חדשים ושיפור תהליכי הייצור.
מהאמור לעיל אנו יכולים לדעת שצפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום המורכבות מ-LiFeO4 והחומר הטרינרי Ni Co Mn שונים מאוד. יחסים שונים של Ni, Co ו-Mn בחומרים טרינריים יגרמו גם הם להבדלים בביצועי הסוללה. ככל ששיעור ה-Ni גבוה יותר, כך הקיבולת הספציפית של הסוללה גבוהה יותר. לסוללות מערכת הקתודה החיובית הגבוהה Ni, המקודמות כעת, יש צפיפות אנרגיה מסה בין 240-300Wh/kg (צפיפות אנרגיה בנפח 560Wh/L-650Wh/L).
חומר האנודה המרכזי בשוק סוללות הליתיום הוא בעיקר גרפיט (חומר מבוסס-פחמן), אך אחסון האנרגיה הנוכחי של חומרים מבוססי פחמן קרוב לגבול העליון התיאורטי. הקיבולת הספציפית של חומרי אנודה מבוססי סיליקון- יכולה להגיע ל-4200mAh/g, שהוא הרבה יותר גבוה מהקיבולת הספציפית התיאורטית של אנודות גרפיט של 372mAh/g. עם כניסתה של אנודת פחמן סיליקון, צפיפות האנרגיה המסה של תא הסוללה תשודרג ל-300-400Wh/kg (צפיפות אנרגיה בנפח 630Wh/L-750Wh/L), ובכך תהפוך לתחליף רב עוצמה לאנודת גרפיט.
מַסְקָנָה
העתיד נראה מבטיח עם שילוב פוטנציאלי של טכנולוגיות, שיכולות להגביר עוד יותר את צפיפות האנרגיה של סוללות מזל"ט. צפיפות אנרגיה גבוהה במיוחד בסוללות רחפנים היא לא רק שיפור טכני אלא גם שינוי טרנספורמציה שיניע את הדור הבא של רחפנים. ככל שהטכנולוגיה הזו מתקדמת, היא תפתח אפשרויות חדשות ותגדיר מחדש את מה שמזל"טים מסוגלים להשיג. בואו נהיה מוכנים לדור חדש שיגיע בעתיד הקרוב בקרוב!
