ما مقدار النحاس الموجود في بطاريات الليثيوم أيون؟

مقدمة

تُعد بطاريات الليثيوم أيون العمود الفقري للإلكترونيات المحمولة الحديثة والمركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة. وفي حين يتم إيلاء الكثير من الاهتمام بالليثيوم أو الكوبالت أو النيكل، فإن النحاس يلعب دوراً لا يقل أهمية - ولكن غالباً ما يتم تجاهله - في أداء البطارية وكفاءتها. يتعمق هذا المقال في مقدار النحاس الموجود في بطاريات الليثيوم أيون وأهميته الوظيفية وعلاقته باستدامة البطارية. سنستكشف لماذا يظل النحاس لا غنى عنه في تكنولوجيا بطاريات الليثيوم أيون.

Where Does the Copper Live?

To understand how much copper is in a battery, we first need to know where to find it. A lithium-ion battery cell, the basic building block of a larger battery pack, has four key components that work in concert to store and release energy.

A Quick Tour of a Li-ion Cell

Cathode (+): The positive electrode, typically made of materials like Nickel Manganese Cobalt (NMC) or Lithium Iron Phosphate (LFP).
Anode (-): The negative electrode, where energy is stored when charging. It’s usually made of graphite.
المنحل بالكهرباء: A liquid or gel medium containing lithium salts that allows lithium ions to flow between the cathode and anode.
فاصل: A micro-porous membrane that keeps the cathode and anode from touching, which would cause a short circuit.

When you charge a battery, lithium ions travel from the cathode, through the electrolyte, and embed themselves in the anode. When you use the battery, they travel back. But the ions are only half the story; the electrons they leave behind need a path to travel, and that’s where copper comes in.

النحاس في بطاريات الليثيوم أيون

يُستخدم النحاس في الغالب في بطاريات أيونات الليثيوم بسبب توصيله الكهربائي العالي ومتانته وفعاليته من حيث التكلفة. تحتوي بطارية الليثيوم أيون القياسية على ما يقرب من 8-151 تيرابايت 3 تيرابايت من النحاس من حيث الوزن، اعتماداً على تصميمها واستخدامها. على سبيل المثال:

نوع البطارية	محتوى النحاس (لكل خلية)	التطبيقات الرئيسية
LCO (LiCoO₂) LCO （LiCoO₂O₂)	~12-15%	الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة
NMC (LiNiMniMnCoO₂)	~10-12%	السيارات الكهربائية والأدوات الكهربائية
LFP (LiFePO₄)	~8-10%	أنظمة تخزين الطاقة والمركبات الكهربائية
بطاريات الحالة الصلبة	~5-8% (متوقع)	الجيل القادم من السيارات الكهربائية والفضائية

على سبيل المثال، تحتوي حزمة بطارية تسلا موديل 3 NMC على ~حوالي 60 كجم من النحاس، بينما تستخدم بطارية بليد BYD Blade القائمة على LFP ~حوالي 40 كجم نظرًا لتصميمها الأبسط وكثافة الطاقة المنخفضة.

لماذا يعتبر النحاس ضرورياً في بطاريات الليثيوم أيون

1. مجمّع التيار في الأنود

في بطاريات أيونات الليثيوم، تُستخدم رقائق النحاس كمجمّع للتيار للأنود (المصنوع عادةً من الجرافيت أو المواد القائمة على السيليكون). تضمن الموصلية الكهربائية العالية للنحاس نقل الإلكترونات بكفاءة بين مادة الأنود والدائرة الخارجية، مما يقلل من فقدان الطاقة ويحسن أداء البطارية. ويسمح سطحه الأملس بطبقة موحدة لمادة الأنود، مما يضمن تشغيل البطارية بشكل متناسق.

2-مقاومة منخفضة

ويتميز النحاس بواحدة من أقل المقاومات الكهربائية بين المعادن (1.68 × 10- ⁸ Ω-م عند 20 درجة مئوية)، مما يقلل من المقاومة الداخلية في البطارية. يؤدي انخفاض المقاومة إلى زيادة الكفاءة وتقليل توليد الحرارة وتحسين توصيل الطاقة.

3- القوة الميكانيكية والمرونة

رقائق النحاس رقيقة وخفيفة الوزن وقوية ميكانيكيًا، مما يجعلها مثالية للتصميم المدمج والمرن لبطاريات الليثيوم أيون. ويمكنها أن تتحمل الضغوط الميكانيكية أثناء تجميع البطارية ودورات الشحن والتفريغ دون أن تنكسر أو تتشوه.

4- الاستقرار الكيميائي

يعتبر النحاس مستقرًا نسبيًا في البيئة الكهروكيميائية لبطاريات الليثيوم أيون، خاصة في جانب الأنود. ولا يتفاعل بشكل كبير مع الإلكتروليت أو مادة الأنود، مما يضمن الموثوقية والأداء على المدى الطويل.

5- الموصلية الحرارية

تساعد الموصلية الحرارية العالية للنحاس على تبديد الحرارة المتولدة أثناء تشغيل البطارية، مما يقلل من خطر ارتفاع درجة الحرارة ويحسن السلامة.

6- الفعالية من حيث التكلفة

على الرغم من أن النحاس ليس أرخص المواد، إلا أن توازنه بين الأداء والمتانة والتكلفة يجعله الخيار الأكثر عملية لمجمعات التيار في بطاريات الليثيوم أيون. من السهل التعامل مع رقائق النحاس ودمجها في عملية تصنيع البطاريات، مما يسمح بإنتاج أقطاب كهربائية عالية السرعة.

النحاس مقابل البدائل: لماذا لا يوجد بديل؟

على الرغم من الجهود المبذولة لإيجاد مواد أرخص، يظل النحاس غير قابل للاستبدال بسبب:

الموصلية الفائقة: على الرغم من أن الألومنيوم أرخص ثمناً، إلا أن موصلية الألومنيوم 60% أقل، وهو غير مناسب لمجمعات الأنود.
المتانة الميكانيكية: تتحمل الرقائق النحاسية دورات الليثنة/التثليج المتكررة دون حدوث تشقق.
قابلية إعادة التدوير: يحتفظ النحاس بخصائص 95% من خواصه بعد إعادة التدوير، بما يتماشى مع أهداف الاقتصاد الدائري (مجلة مصادر الطاقة، 2022).

الآثار البيئية والاقتصادية المترتبة على ذلك

1. تحديات التعدين وسلسلة التوريد

يمثل تعدين النحاس حوالي 0.21 تيرابايت 3 تيرابايت من انبعاثات الكربون العالمية. ومع ارتفاع الطلب على بطاريات أيونات الليثيوم، يجب أن يزيد إنتاج النحاس بمقدار 3001 تيرابايت 3 تيرابايت بحلول عام 2040 لتحقيق أهداف السيارات الكهربائية (الوكالة الدولية للطاقة، 2023). وهذا يثير مخاوف بشأن استنزاف الموارد وممارسات التعدين الأخلاقية.

2. ابتكارات إعادة التدوير

يمكن أن تؤدي إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون إلى استعادة ما يصل إلى 991 تيرابايت 3 تيرابايت من النحاس، مما يقلل من الاعتماد على المواد البكر. وتقوم شركات مثل ريدوود ماتيريالز بريادة أنظمة الحلقة المغلقة لمواجهة هذا التحدي (ريدوود ماتيريالز، 2023).

مستقبل النحاس في بطاريات الليثيوم أيون

As battery technology evolves, so does copper’s role. The focus is now on making copper work smarter and ensuring its lifecycle is as sustainable as possible.

Innovations in Copper Foil Technology

The frontier of battery technology isn’t just in chemistry; it’s also in materials science. Researchers and manufacturers are pushing the limits of copper foil, developing products that are:

- Thinner and Lighter: Moving from 8-micron foil to 6-micron or even 4.5-micron foil reduces weight and allows for more active material to be packed into the cell, increasing energy density.
- Stronger and Safer: Advanced foils have higher tensile strength to prevent cracking during battery manufacturing and use.
- Higher Adhesion: Surface treatments on the foil improve how well the graphite anode sticks, which enhances battery performance and lifespan.

بطارية لاندازل: الريادة في حلول الطاقة المستدامة

مع تطور صناعة بطاريات الليثيوم أيون, بطارية لاندزل تقف في طليعة الابتكار. نقدم حلولاً مخصصة للأجهزة الطبية، والروبوتات، والمركبات الكهربائية، والطائرات بدون طيار، والإلكترونيات الاستهلاكية.

اختر بطارية لاندازل - حيث يلتقي الأداء مع الاستدامة.
استكشف https://landazzle.com/batteries/battery-pack/！