عندما بدأت لأول مرة في مجال إمداد بطاريات الليثيوم أيون ذات الجهد العالي، سأعترف أنني لم أدرك تمامًا مدى التغيير الذي سيحدثه عملنا في مجال الطيران الكهربائي. في ذلك الوقت، كنا نقوم فقط بتحسين الكيمياء لدينا، واختبار الخلايا في طائرات صغيرة بدون طيار وأجهزة استشعار عن بعد، ولم نفكر في تشغيل طائرات كاملة الحجم تحمل الركاب عبر البلاد. الآن، بعد سنوات من العمل الوثيق مع مهندسي الطيران ومؤسسي الشركات الناشئة ومنظمي الصناعة، أرى أن بطاريات الليثيوم أيون عالية الجهد (HV LiPo) ليست مجرد مكون للطيران الكهربائي - إنها العمود الفقري الذي سيحول الصناعة من تجربة متخصصة إلى بديل رئيسي ومستدام لوقود الطائرات. اسمحوا لي أن أوضح سبب حدوث ذلك، وكيف يرتبط العمل الذي يقوم به فريقنا كل يوم ارتباطًا مباشرًا بهذا التحول التحويلي.
أولاً، دعونا نتناول المصطلحات التي تجعل الكثير من المقالات المتعلقة بتكنولوجيا الطاقة تبدو بعيدة المنال. الطيران الكهربائي لا يقتصر فقط على استبدال المحركات النفاثة بالمحركات الكهربائية. التحدي الأكبر الذي يواجه الطيران الإلكتروني في الوقت الحالي هو كثافة الطاقة: مقدار الطاقة التي يمكنك تخزينها في وزن معين. كل رطل إضافي على متن الطائرة يكلف الوقود، ويتطلب ترقيات هيكلية، ويحد من النطاق. تعمل بطاريات أيونات الليثيوم التقليدية بشكل جيد في الهواتف والسيارات، لكنها لا تحتوي على ما يكفي من الطاقة للطائرات، حتى وصلنا إلى كيمياء الجهد العالي التي تجاوزت هذه الحدود. وهنا يأتي دور خط خلايا HV LiPo، بما في ذلك منتجات مثل بطارية Lipo بقدرة 10000 مللي أمبير في الساعة والتي أصبحت العمود الفقري لنماذج الطائرات الإلكترونية الأصغر حجمًا.
دعونا نتحدث عن فجوة كثافة الطاقة. تبلغ كثافة طاقة وقود الطائرات القياسي حوالي 12000 واط/ساعة لكل كيلوغرام (Wh/kg). تبلغ قوة بطارية أيون الليثيوم التقليدية ما يقرب من 250-300 واط ساعة/كجم، وهو ما لا يكفي لطائرة إقليمية. لكن خلايا HV LiPo؟ لقد رفعنا هذا الرقم إلى أكثر من 350 وات/كجم باستخدام أحدث تركيباتنا، وتشير الأبحاث إلى أعلى من ذلك. قد يبدو ذلك بمثابة قفزة صغيرة، ولكن في مجال الطيران، كل وزن إضافي من Wh/kg له أهمية كبيرة. بالنسبة لطائرة إقليمية ذات 50 مقعدًا، فإن فرق 50 واط/كجم يترجم إلى 500 كجم إضافية من الطاقة، وهو ما يكفي لإضافة 100 ميل من المدى، أو حمل 10 ركاب إضافيين دون التضحية بالأداء. هذا هو نوع المكاسب الإضافية التي تحول النموذج الأولي المثير للاهتمام من الناحية الفنية إلى طائرة قابلة للتطبيق تجاريًا.
عندما بدأ مهندسو الفضاء الجوي باختبار بطاريات الجهد العالي لأول مرة، واجهوا الكثير من المشكلات التي بدت مألوفة لأي شخص يستخدم هاتفًا يتم شحنه بسرعة كبيرة أو يصبح ساخنًا جدًا. تتعرض الخلايا ذات الجهد العالي لخطر الانفلات الحراري بشكل أكبر، مما يعني أنها قد ترتفع درجة حرارتها وتشتعل فيها النيران في حالة تلفها أو سوء إدارتها. كما أنها كانت تتمتع بدورة حياة أقصر، مما يعني أنها تتآكل بشكل أسرع مما تستطيع شركات الطيران تحمل تكاليف استبدالها. ولهذا السبب توقفت العديد من الجهود المبكرة للطيران الإلكتروني في الفترة ما بين 2018 و2019: كانت الكيمياء تعمل على الورق، لكنها لم تكن آمنة أو موثوقة بدرجة كافية للاستخدام التجاري. أمضى فريقنا سنوات في العمل على حل هذه المشكلات عن طريق تعديل مواد الكاثود والإلكتروليت، وبناء طبقات الإدارة الحرارية المتقدمة، وإتقان عملية التصنيع لضمان الاتساق عبر آلاف الخلايا.
خذ على سبيل المثال خلايا ليبو عالية الجهد 3.85 فولت/4.4 فولت. تم تصميم هذه الخلايا خصيصًا لتحقيق التوازن بين كثافة الطاقة والسلامة. لقد اختبرناها في سلسلة من عمليات محاكاة التصادم، حيث قمنا بثقبها وسحقها وشحنها بشكل زائد، وهي اختبارات قياسية تتطلبها هيئات تنظيم الطيران مثل إدارة الطيران الفيدرالية قبل الموافقة على أي بطارية للاستخدام التجاري. وكانت النتائج أفضل بكثير من خلايا أيونات الليثيوم التقليدية: لا يوجد انفلات حراري، ولا يوجد خطر كبير للحريق، ودورة حياة تزيد الآن عن 1500 دورة شحن وتفريغ كاملة. بالنسبة لشركات الطيران، هذا يعني أن حزمة البطارية يمكن أن تدوم من 5 إلى 7 سنوات من الاستخدام المنتظم، وهو ما يتماشى مع العمر النموذجي للمحرك النفاث. هذا هو نوع الموثوقية التي تجعل خلايا HV LiPo خيارًا جديًا، وليست مجرد تجربة معملية.
هناك فوز كبير آخر لبطاريات HV LiPo في مجال الطيران وهو قدرتها على توفير طاقة عالية عند الطلب. لا تحتاج الطائرات إلى تخزين الطاقة فحسب، بل تحتاج إلى سحب كميات هائلة من الطاقة بسرعة من أجل الإقلاع والتسلق ومناورات الطوارئ. على سبيل المثال، تتطلب طائرة 737 ماكس عشرات الآلاف من الكيلووات للإقلاع. كان بإمكان تصميمات المحركات الكهربائية المبكرة تحقيق ذلك، لكن البطاريات لم تكن قادرة على توفيره دون انخفاض الجهد الذي أدى إلى مقتل الأداء. تتمتع الخلايا ذات الجهد العالي بجهد اسمي أعلى، مما يعني أنك تحتاج إلى عدد أقل من الخلايا الموصلة على التوالي للوصول إلى جهد التشغيل لمحرك الطائرة. يؤدي ذلك إلى تقليل الوزن الإجمالي لحزمة البطارية، وتبسيط الأسلاك، ويقلل من خطر الفشل الناتج عن التوصيلات السائبة. تم تصميم خط ليبو عالي الجهد الخاص بنا للتعامل مع معدلات التفريغ المستمر البالغة 10 درجات مئوية (مما يعني أنه يمكن أن يوفر 10 أضعاف سعته بالأمبير) ومعدلات الذروة البالغة 20 درجة مئوية - وهو مثالي لاحتياجات الطاقة الثقيلة للطائرات الإلكترونية الصغيرة والمتوسطة الحجم.
دعونا نتحدث عن حالات الاستخدام في العالم الحقيقي، لأن النظرية تذهب إلى أبعد من ذلك. في الوقت الحالي، معظم الطائرات الكهربائية صغيرة الحجم: من 2 إلى 8 مقاعد للرحلات القصيرة، أو طائرات شحن كبيرة بدون طيار. لكن الصناعة تتجه بسرعة نحو الطائرات الإقليمية التي يمكن أن تحمل ما بين 50 إلى 100 راكب على خطوط يبلغ طولها 500 ميل أو أقل، مثل نيويورك إلى بوسطن، أو لندن إلى باريس. تقوم شركات مثل Eviation وHeart Aerospace وmagniX باختبار نماذج أولية للطائرات التي تعتمد على بطاريات HV LiPo. تستخدم Eviation's Alice، وهي طائرة كهربائية ذات 9 مقاعد، 1000 وحدة من خلايا LiPo عالية الجهد في حزمة البطارية الخاصة بها، مما يمنحها نطاقًا يصل إلى 440 ميلًا بحريًا (حوالي 500 ميل) بشحنة واحدة. هذا هو بالضبط النطاق المطلوب لـ 80% من جميع الرحلات الداخلية في الولايات المتحدة. ولأن الطائرات تستخدم الكهرباء بدلاً من وقود الطائرات، فإنها تقلل من انبعاثات الكربون بنسبة 90% - وهو فوز كبير لشركات الطيران التي تحاول تحقيق أهداف صافي الصفر بحلول عام 2050.
يعد طيران الشحن مجالًا آخر حيث تُحدث بطاريات HV LiPo فرقًا. كانت الطائرات بدون طيار لتوصيل الطرود الصغيرة موجودة منذ سنوات، ولكن حتى وقت قريب، لم تكن قادرة على حمل أكثر من بضعة أرطال. بفضل الخلايا ذات الجهد العالي مثل بطارية Lipo بقدرة 10000 مللي أمبير في الساعة، يمكن لطائرات التوصيل بدون طيار حمل ما بين 10 إلى 15 رطلاً لمسافات تصل إلى 50 ميلاً، وهو ما يكفي للتوصيل في نفس اليوم في معظم مناطق المترو. تقوم شركات مثل Amazon وWing بالفعل باختبار هذه الطائرات بدون طيار، وتشير إلى أداء بطارية الجهد العالي كعامل رئيسي في قدرتها على التوسع. ويجري العمل حاليًا على طائرات شحن أكبر حجمًا تصل إلى 10 أطنان، حيث ستستخدم مئات الخلايا ذات الجهد العالي لخفض التكاليف والانبعاثات لشركات الشحن.
وبطبيعة الحال، لا تزال هناك عقبات يتعين التغلب عليها. وأكبرها هو البنية التحتية: تحتاج الطائرات إلى الشحن بسرعة، وتحتاج المطارات إلى إضافة محطات شحن عالية القدرة يمكنها التعامل مع مئات الكيلووات من الطاقة في المرة الواحدة. في الوقت الحالي، تستغرق معظم بطاريات HV LiPo حوالي 30 دقيقة لشحنها حتى 80% من سعتها، وهي سرعة كافية للطرق التجارية التي لها وقت أرضي بين الرحلات الجوية، ولكنها تحتاج إلى أن تصبح أسرع لتقليل عمليات التحول. نحن نعمل على ذلك أيضًا - يقوم فريق البحث والتطوير لدينا باختبار إلكتروليتات جديدة يمكنها تقليل أوقات الشحن إلى النصف دون التضحية بالسلامة أو دورة الحياة. هناك عقبة أخرى تتمثل في التكلفة: لا تزال بطاريات HV LiPo أكثر تكلفة لكل كيلووات في الساعة من وقود الطائرات، لكن السعر ينخفض بسرعة. في السنوات الخمس الماضية، انخفضت تكلفة الخلايا ذات الجهد العالي بنسبة 40%، ومع زيادة حجم الإنتاج، من المتوقع أن تصل إلى التكافؤ مع وقود الطائرات بحلول عام 2030. وذلك عندما يتوقف الطيران الكهربائي عن كونه خدمة متخصصة ويصبح هو القاعدة.
باعتبارنا موردًا لبطاريات أيونات الليثيوم عالية الجهد، لا يقتصر دورنا على بيع الخلايا فحسب، بل نتشارك مع الشركات المصنعة للطائرات لحل مشكلاتهم المحددة. نحن لا نشحن صندوقًا من الخلايا ونرحل فحسب. نحن نعمل مع فرقهم الهندسية لتصميم مجموعات بطاريات مخصصة تناسب إطار طائرتهم، وتلبي متطلبات الوزن الخاصة بهم، وتجتاز كل الاختبارات التنظيمية. نحن نقدم بيانات الأداء في الوقت الفعلي، حتى يتمكنوا من تتبع كيفية أداء البطارية وتعديل خطط رحلاتهم وفقًا لذلك. ونحن نقوم باستمرار بتحديث كيمياءنا لرفع كثافة الطاقة إلى مستوى أعلى، لأننا نعلم أن هذا ما سيفتح الطريق للجيل القادم من الطائرات الكهربائية.
وبالنظر إلى المستقبل بعد 10 سنوات، أتوقع أن يصل حجم صناعة الطيران الكهربائي إلى 100 مليار دولار، وستكون بطاريات HV LiPo في مركزها. وبحلول عام 2035، سنرى طائرات إقليمية ذات 50 مقعدًا تعمل بخلايا الجهد العالي تحلق في مسارات منتظمة، وبحلول عام 2040، سيتم اختبار الطائرات ذات الجسم الضيق كاملة الحجم للخدمة التجارية. لن يحدث هذا التحول بين عشية وضحاها، إذ إن وقود الطائرات راسخ بقوة، وشركات الطيران مترددة في الاستثمار في التكنولوجيا الجديدة حتى يتم إثباتها، ولكن الزخم لا يمكن إنكاره. في كل شهر، يحلق نموذج أولي آخر في السماء، وتوقع شركة طيران أخرى خطاب نوايا لطلب طائرات كهربائية، وتصدر جهة تنظيمية أخرى إرشادات جديدة لاستخدام البطاريات ذات الجهد العالي في الطيران.
إذا كنت جزءًا من شركة تصنيع طائرات، أو شركة طيران، أو شركة طيران إلكترونية ناشئة وتتطلع إلى تشغيل مشروعك التالي، فإن فريقنا موجود لمساعدتك. لقد أمضينا سنوات في تحسين خط ليبو عالي الجهد الخاص بنا، بما في ذلك خلايا ليبو عالية الجهد 3.8 فولت/4.35 فولت والتي توفر التوازن المثالي لكثافة الطاقة والسلامة لمجموعة واسعة من التطبيقات. نحن نعمل مع العملاء لتخصيص تكوينات الخلايا، وتقديم الدعم الفني أثناء الاختبار وإصدار الشهادات، وتقديم إنتاج قابل للتطوير لتلبية الطلب مع نمو مشروعك. سواء كنت تقوم ببناء طائرة شحن صغيرة بدون طيار أو طائرة إقليمية ذات 50 مقعدًا، فلدينا خلايا HV LiPo التي ستعزز نجاحك.
مراجع
- وكالة الطاقة الدولية. (2023).توقعات السيارات الكهربائية العالمية 2023: المضي قدماً. منشورات الوكالة الدولية للطاقة.
- إدارة الطيران الفيدرالية. (2022).معايير سلامة البطارية للطائرات الكهربائية. إحاطة سلامة الطيران FAA.
- طائرات الإجلاء. (2023).طائرات أليس الكهربائية: المواصفات الفنية. التوثيق الرسمي للهروب.
- جمعية صناعة بطاريات الليثيوم أيون. (2024).تقرير سوق خلايا الجهد العالي: تطبيقات الطيران. أبحاث ليبا.
- magniX. (2023).الدفع الكهربائي للطيران الإقليمي: دراسات الحالة. ورقة العمل الفنية الخاصة بـ magniX.
