متى يتحول الشحن السريع إلى عدو لبطارية السيارة الكهربائية؟

مع اتساع انتشار السيارات الكهربائية، أصبحت دقائق الانتظار أمام محطة الشحن جزءا أساسيا من تجربة استخدامها، ومعها يتكرر سؤال يقلق كثيرين: هل السرعة التي تعيد البطارية إلى 80% خلال وقت قصير تُدفع لاحقا من عمرها الافتراضي؟

الإجابة ليست "نعم" أو "لا" بصورة مطلقة. فالشحن السريع لا يدمر بطارية السيارة بمجرد استخدامه، لكنه قد يسرع تدهورها عندما يتحول إلى نمط متكرر، خصوصا مع درجات الحرارة غير المناسبة أو عند استخدام قدرات شحن مرتفعة، كما تختلف درجة التأثر بصورة كبيرة تبعا لكيمياء البطارية ونظام إدارتها الحرارية والإلكترونية.

وتشير أحدث البيانات الميدانية والأبحاث المعملية إلى أن بطاريات السيارات الكهربائية الحديثة أكثر قدرة على تحمل الشحن السريع مما كان يُعتقد، لكن طريقة استخدامها لا تزال قادرة على صنع فارق ملموس في عمرها.

وفق التصنيف الشائع في أمريكا الشمالية، يبدأ الشحن من المستوى الأول عبر مقبس منزلي بجهد 120 فولت وقدرة تقارب 1.4 إلى 1.9 كيلوواط، وهو أبطأ الخيارات وقد يحتاج إلى أكثر من يوم لشحن بطارية كبيرة.

أما الشحن بالتيار المتردد من المستوى الثاني، وهو الأكثر استخداما في المنازل ومقار العمل ومحطات الشحن، فتتراوح قدرته عادة بين عدة كيلوواط وحتى نحو 22 كيلوواط بحسب السيارة والسوق.

لكن الفارق الكبير يظهر مع الشحن السريع بالتيار المستمر (DC Fast Charging)، إذ تبدأ القدرات من عشرات الكيلوواط وقد تصل في المحطات فائقة السرعة إلى 350 كيلوواط أو أكثر، ما يسمح لبعض السيارات بالانتقال من نحو 10% إلى 80% من سعة البطارية خلال 15 إلى 45 دقيقة.

هذه السرعة، رغم فائدتها الواضحة، تفرض على خلايا البطارية ظروفا أكثر قسوة مقارنة بالشحن البطيء.

في أثناء الشحن، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب "الأنود"، إذ تدخل في بنيته وتُخزن بصورة مستقرة.

لكن عند ضخ تيار مرتفع جدا، خاصة عندما تكون البطارية باردة أو تقترب من الامتلاء، قد تصبح سرعة وصول الأيونات أكبر من قدرة الأنود على استيعابها. حينها يمكن أن يترسب جزء من الليثيوم على سطح الأنود في صورة معدنية بدلا من دخوله إلى بنيته، وهي ظاهرة تعرف باسم "طلاء الليثيوم".

وتوضح أبحاث حديثة في مجلة "جورنال أوف باور سورسز" أن الشحن عالي المعدل يمكن أن يزيد احتمالات طلاء الليثيوم والإجهاد الحراري وارتفاع المقاومة الداخلية، وهي عوامل ترتبط بتسارع تدهور الخلايا. وفي ظروف شديدة، قد تؤدي ترسبات الليثيوم غير المتجانسة إلى تكوّن هياكل قادرة على الإضرار بالفاصل الداخلي وزيادة مخاطر القصر الكهربائي والانفلات الحراري.

لكن هذا لا يعني أن كل عملية شحن سريع تؤدي إلى تلك النتيجة؛ فأنظمة إدارة البطارية الحديثة تراقب درجة الحرارة وحالة الشحن وتخفض القدرة تلقائيا عندما تصبح الظروف غير ملائمة.

لا تتوقف المشكلة عند سرعة الشحن وحدها، فالحرارة من أهم العوامل التي تحدد مدى الضغط الواقع على الخلايا.

يولد الشحن السريع حرارة أكبر نتيجة مرور تيارات مرتفعة، وقد أظهرت تجارب على خلايا من نوع NCA 21700 ارتفاعات حرارية كبيرة مع زيادة معدل الشحن، وصلت في بعض سيناريوهات الاختبار المعملي إلى عشرات الدرجات المئوية، وهو ما يبرز أهمية نظام التبريد في السيارة.

وفي المقابل، قد يكون البرد أكثر خطورة على عملية الشحن نفسها. فعند درجات الحرارة المنخفضة تتباطأ حركة الأيونات داخل البطارية، وترتفع احتمالات ترسب الليثيوم على الأنود عند محاولة شحن الخلية بسرعة كبيرة.

ولهذا تعمل كثير من السيارات الحديثة على "تهيئة" البطارية ورفع حرارتها إلى النطاق المناسب قبل الوصول إلى محطة الشحن السريع.

البيانات الميدانية تعطي صورة أقل إثارة للقلق من بعض التجارب المعملية. ففي تحليل حديث لشركة "غيوتاب" شمل أكثر من 22 ألفا و700 سيارة كهربائية من 21 طرازا، بلغ متوسط تدهور سعة البطارية نحو 2.3% سنويا.

لكن السيارات التي اعتمدت بكثافة على الشحن السريع عالي القدرة، وخاصة جلسات تتجاوز 100 كيلوواط، سجلت تدهورا وصل في المتوسط إلى نحو 3% سنويا، مقارنة بنحو 1.5% للسيارات التي اعتمدت بصورة أكبر على الشحن منخفض القدرة.

كما أظهرت البيانات أن العمل في المناخات الحارة ارتبط بتدهور أسرع بنحو 0.4 نقطة مئوية سنويا مقارنة بالمناخ المعتدل.

ومع ذلك، تؤكد شركة "غيوتاب" الكندية، المتخصصة في مجال تكنولوجيا الاتصالات عن بعد وإدارة أسطول المركبات، أن بطاريات السيارات الكهربائية الحديثة تظل قوية إجمالا، وأنها في كثير من الحالات قادرة على الاستمرار لما يتجاوز دورة الاستخدام المعتادة للسيارة.

ربما تكون كيمياء البطارية أهم قطعة في هذا اللغز، فقد اختبر باحثون من جامعة كارنيغي ميلون 3 أنواع منتشرة من بطاريات الليثيوم، هي فوسفات الحديد والليثيوم (LFP)، والنيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC)، والنيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA)، مع مزج نسب مختلفة من الشحن السريع والبطيء.

وأظهرت النتائج الفروق التالية:

ذهبت الدراسة نفسها خطوة أبعد وحولت التدهور إلى نموذج لتكاليف استبدال حزم البطاريات حتى وصول السيارة إلى 150 ألف ميل، أي نحو 241 ألف كيلومتر.

وفي أكثر سيناريوهات الاختبار قسوة، مع اعتماد يتجاوز 90% على الشحن السريع واستخدام كامل نطاق جهد البطارية، قدرت الدراسة تكلفة الاستبدال التراكمية بصفر دولار لبطاريات LFP، ونحو 27 ألف دولار لبطاريات NMC، وما يصل إلى 210 آلاف دولار لبطاريات NCA.

لكن هذه الأرقام لا تعني أن مالك سيارة NCA سيدفع بالفعل 210 آلاف دولار، إذ إنها ناتجة عن نمذجة لسيناريو اختبار متطرف اعتمد على نتائج خلايا جرى تدويرها تحت ظروف محددة، وليست دراسة لفواتير إصلاح سيارات حقيقية.

واللافت أن النتائج تغيرت بشدة عندما قُيد نطاق الشحن السريع إلى نحو 20%–80%؛ إذ انخفضت تكلفة الاستبدال المقدرة إلى صفر في حالة NMC وإلى نحو 63 ألف دولار بالنسبة إلى NCA.

وهنا تتضح أهمية عاملين لا يقلان تأثيرا عن سرعة الشاحن نفسها: كيمياء البطارية، ومقدار الوقت الذي تقضيه عند مستويات شحن مرتفعة أو منخفضة جدا.

رغم شيوع النصيحة بإبقاء البطارية بين 20% و80%، فإن البيانات الحديثة تجعل الصورة أكثر مرونة.

فبحسب تحليل "غيوتاب"، لا يظهر أثر ملحوظ لمستويات الشحن القصوى إلا عندما تقضي السيارة أكثر من 80% من وقتها عند حالات شحن شديدة الارتفاع أو الانخفاض. لذلك فإن الوصول إلى 100% قبل رحلة طويلة، أو انخفاض البطارية دون 20% بين حين وآخر، لا يعني إتلافها.

كما تختلف توصيات الشركات بحسب كيمياء البطارية، ولهذا تظل تعليمات الشركة المصنعة للسيارة المرجع الأول، خصوصا مع بطاريات LFP التي قد تختلف إستراتيجيات شحنها عن بطاريات NMC وNCA.

للاستخدام اليومي، يبقى الشحن بالتيار المتردد في المنزل أو العمل الخيار الأقل إجهادا للخلايا عندما يكون متاحا، بينما يمكن الاحتفاظ بالشحن السريع للرحلات الطويلة أو الأوقات التي تكون فيها السرعة مطلوبة.

ولا حاجة للخوف من الوصول إلى 100% عند الحاجة، لكن يُفضل تجنب ترك السيارة لأوقات طويلة وهي ممتلئة تماما أو شبه فارغة، مع الالتزام بحدود الشحن التي توصي بها الشركة المصنعة.

وفي الطقس الحار، ينبغي الاستفادة من الظل أو مواقف السيارات المغطاة وتجنب إضافة شحن فائق السرعة إلى بطارية مرتفعة الحرارة بعد قيادة عنيفة إذا كان بالإمكان الانتظار حتى يدير نظام التبريد حرارتها.

أما في الأجواء شديدة البرودة، فتزداد أهمية تهيئة البطارية مسبقا قبل الشحن السريع، لأن البطارية الباردة أكثر عرضة لظاهرة طلاء الليثيوم.

كما يساعد إدخال محطة الشحن السريع كوجهة في نظام الملاحة ببعض السيارات على تشغيل التهيئة الحرارية للبطارية آليا قبل الوصول إليها.

الشحن السريع لا "يقتل" بطارية السيارة الكهربائية، ولا يعني استخدامه المتكرر أن البطارية ستفشل خلال فترة قصيرة. لكنه ليس بلا ثمن أيضا.

فالاعتماد الكثيف على قدرات شحن مرتفعة يمكن أن يسرع فقدان السعة، وتزداد التأثيرات مع درجات الحرارة غير المناسبة وبعض أنواع كيمياء البطاريات.

وفي المقابل، تقل المخاطر كثيرا بفضل أنظمة الإدارة الحرارية الحديثة، واختيار نمط شحن مناسب، وعدم إبقاء البطارية فترات طويلة عند أقصى مستوياتها.

وبالتالي، فإن السؤال لم يعد: هل أستخدم الشحن السريع أم لا؟ بل كيف أستخدمه، ومتى، وما نوع البطارية الموجودة تحت سيارتي؟

الشحن السريع لا يدمر بطارية السيارة الكهربائية فورا، لكنه قد يسرع تدهورها إذا تحول إلى عادة، خصوصا مع الحرارة أو البرودة الشديدة. كيمياء البطارية وطريقة الشحن تصنعان الفارق.