كيف أعادت بطارية الليثيوم أيون السيارة الكهربائية إلى الحياة؟

البطارية الليثيوم أيون هي كيمياء البطاريات التي جعلت السيارة الكهربائية الحديثة ممكنة تقنياً، بحلها مشكلة المدى والوزن المزمنة منذ قرن بفضل كثافة الطاقة العالية وانخفاض تكلفتها. هذا المقال يحكي القصة الممتدة من تسعينيات القرن التاسع عشر حتى عام 1991، وكيف أعادت هذه الثورة تشكيل السيارة.

هل بدأت السيارة الكهربائية في الواقع قبل البنزين؟

على عكس ما يظنه كثير من القراء، نعم. يبدأ تاريخ السيارة الكهربائية في نفس الحقبة تقريباً التي ظهر فيها محرك الاحتراق الداخلي، وخلال النصف الأول من القرن لم تكن الكهرباء تكنولوجيا هامشية إطلاقاً. بين عامي 1827 و1828 صنع القس المجري Ányos Jedlik أول محرك كهربائي وشغّل نموذج سيارة صغيراً. بين عامي 1832 و1839 طوّر الاسكتلندي Robert Anderson سيارة كهربائية بدائية؛ لكن الخلايا الغلفانية لم تكن قابلة للشحن بعد، أي أن السيارة كانت تتحرك بمخزن طاقة للاستخدام الواحد. في عام 1837 صنع Robert Davidson في أبردين أول نموذج أولي لقاطرة كهربائية؛ وفي عام 1841 قامت النسخة المكبرة Galvani بجر حمولة وزنها 6 أطنان على مسافة 1.5 ميل بسرعة 4 أميال في الساعة. دمّر عمال السكك الحديدية الآلة خوفاً من فقدان وظائفهم - وهكذا واجهت التكنولوجيا أول مقاومة لها في تاريخ مبكر جداً.

جاءت نقطة التحول في عام 1859: بطارية Gaston Planté الرصاصية الحمضية جعلت تخزين الطاقة القابلة للشحن في السيارة ممكناً لأول مرة. وتبين أن هذه الكيمياء متينة لدرجة أنها لا تزال تستخدم حتى اليوم في بطاريات السيارات ذات محرك الاحتراق الداخلي. حوالي عام 1884 شغّل Thomas Parker الترامواي الكهربائي في إنجلترا وأنتج نماذج أولية من السيارات الكهربائية.

من Morrison إلى Jenatzy: العصر الذهبي الأول

في الجانب الأمريكي، النقطة المرجعية هي William Morrison. في عام 1890 تقدّم بطلب براءة اختراع لسيارته الكهربائية في دي موين بولاية آيوا؛ كانت السيارة بدفع أمامي، تنتج 4 أحصنة، تصل إلى سرعة 20 ميلاً في الساعة، وتتطلب الشحن بعد 50 ميلاً ببطارية من 24 خلية. أحدثت ضجة كبيرة في معرض شيكاغو العالمي عام 1893. وفي فيلادلفيا حصل Salom وMorris في عام 1894 على براءة اختراع Electrobat ؛ وبحلول عام 1896 كانت توفر مدى 25 ميلاً بمحركين بقوة 1.1 كيلوواط لكل منهما، وفازت في العام نفسه بسباقات سبرينغ لمسافة خمسة أميال ضد سيارات Duryea البنزينية.

تُظهر الأرقام شعبية تلك الحقبة الأولى بوضوح: في عام 1900 كانت 28% من السيارات على طرق الولايات المتحدة كهربائية؛ وكان ثلث السيارات الـ160 المعروضة في أول معرض للسيارات كهربائياً. كان للاستخدام الحضري ميزات حقيقية للكهرباء - فهي هادئة ونظيفة، تعمل بمجرد قلب المفتاح ونادراً ما تتعطل. في عام 1899 حقق Camille Jenatzy، بمحركين مزدوجين بقوة 25 كيلوواط وهيكل من سبيكة ألمنيوم partinium، مع La Jamais Contente وأصبح أول من كسر حاجزي 100 كم/س و60 ميلاً في الساعة. في نيويورك أدارت شركة Electric Vehicle أكثر من 600 سيارة أجرة كهربائية باستخدام محطات تبديل البطاريات؛ وقد تأسست أول خدمة سيارات أجرة كهربائية في لندن عام 1897.

لماذا فاز البنزين؟ تشريح التنافس بين الكهربائي والبنزيني

لم تكن الهزيمة الأولى للسيارة الكهربائية هزيمة أداء، بل كانت هزيمة اقتصاديات هندسية. كانت هناك أربعة عوامل حاسمة، وجميعها قابلة للقياس:

• التكلفة: كانت السيارات الكهربائية أغلى بنحو ضعف سعر السيارات البنزينية وتُعتبر سلعة فاخرة. في عام 1908 بينما كان سعر Ford Model T يبلغ 850 دولاراً، كان معظم السيارات الكهربائية يُباع بضعف ذلك السعر على الأقل؛ وعندما انخفض سعر Model T عام 1923 إلى ما دون 300 دولار، كانت كثير من السيارات الكهربائية أغلى بعشرة أضعاف.
• المدى وتخزين الطاقة: كان عبوة البنزين الاحتياطية أخف بكثير من البطارية الاحتياطية - وجوهر المشكلة هو نسبة الكتلة هذه بالضبط.
• البنية التحتية: لم تكن هناك إمكانية للشحن في المناطق الريفية غير المكهربة؛ بينما كان البنزين طاقة قابلة للتخزين يمكن بيعها في كل مكان.
• التشغيل: في عام 1912 أزال محرك بدء التشغيل الكهربائي من اختراع Charles Kettering (في أول سيارة Cadillac) عنصر المفتاح اليدوي ومحا الميزة الأساسية للاستخدام التي تتمتع بها السيارات الكهربائية.

وللتلخيص في جملة واحدة، كانت كثافة طاقة بطارية الرصاص الحمضية غير قادرة على تلبية متطلبات كتلة السيارة ومداها. ومع ذلك تمكنت Detroit Electric من إنتاج أكثر من 35,000 مركبة بين عامي 1907 و1939؛ واستخدمت Clara Ford زوجة Henry Ford سيارة Detroit Electric بين عامي 1908 و1914. في إنجلترا عملت مركبات توزيع الحليب الكهربائية "milk float" حتى ثمانينيات القرن العشرين، وكانت البلاد خلال معظم القرن العشرين أكبر مستخدم لمركبات الطرق الكهربائية في العالم - لكنها كانت مركبات محددة المهام، وليست سيارات متعددة الأغراض.

المحاولات الوسيطة في القرن العشرين: مهما ثقلت البطارية يزداد الضجيج

منذ عشرينيات القرن العشرين أصبحت السيارة الكهربائية هامشية لكنها لم تمت تماماً؛ وثبت في كل محاولة مرة أخرى أن المشكلة تكمن دائماً في البطارية. في اليابان، طراز عام 1947 Tama، قام بمهمة سيارة أجرة ببطارية الرصاص الحمضية بسرعة 20 ميلاً في الساعة ومدى 40 ميلاً. Henney Kilowatt (1959-1960) رفع الجهد من 36 فولت إلى 72 فولت ليصل إلى سرعة 60 ميلاً في الساعة ومدى 60 ميلاً؛ ومع ذلك لم يُنتج سوى حوالي 100 هيكل فقط، وبِيعت 47 سيارة.

تجربة GM Electrovair II (1966) هي نقطة بيانات توضح جدية الوضع: بطاريات فضة-زنك، وجهد نظام 532 فولت، و115 حصاناً، ومدى 40-80 ميلاً - لكن البطاريات كانت تصمد لـ 100 دورة شحن فقط، وكانت تكلفة الحزمة بمقاييس ذلك العام 160,000 دولار. وفي عامي 1971-72 خدمت المركبة الاستكشافية القمرية (LRV) هدفاً مختلفاً، وهو الموثوقية القصوى: بمحركات GM Delco وبطاريات فضة-زنك غير قابلة لإعادة الشحن، وبكلفة بلغت 38 مليون دولار. بعد حظر OPEC عام 1973 تجدد الاهتمام: طراز Citicar الذي طرح للبيع عام 1974 كان متواضعاً بقوة 2.5 حصان وسرعة حوالي 25 ميلاً في الساعة، لكن إنتاجه الإجمالي البالغ 4,444 وحدة جعله حتى عام 2013 أكبر منتج لمركبات كهربائية في الولايات المتحدة بعد الحرب العالمية الثانية. طراز GM لعام 1977 Electrovette كانت نماذجها الأولية تعمل ببطاريات الرصاص الحمضية، وكانت تقطع 50 ميلاً بسرعة 30 ميلاً في الساعة؛ وعندما لم تتحقق توقعات أسعار البنزين، وُضعت على الرف.

GM EV1: السيارة التي واجهت مشكلة البطارية مبكرًا

في تسعينيات القرن العشرين، أدى اشتراط ولاية كاليفورنيا للمركبات ذات الانبعاثات الصفرية إلى ولادة أول سيارة كهربائية جادة من شركة سيارات في العصر الحديث. انتقلت GM من مفهوم Impact إلى الإنتاج و EV1 بدأت بتأجيره في 1996–1997؛ ووصل إلى المستأجرين في 1997، وتم تأجير حوالي 1000 وحدة إجمالًا. كان الطراز الأول يعمل ببطارية رصاص حمضية؛ أما خيار نيكل-هيدريد المعادن (NiMH) الذي جاء لاحقًا فقد قدّم مدى يتراوح بين 70 و160 ميلاً - وكانت قفزة ملحوظة ضمن كيمياء تلك الحقبة، لكنها لم تكن كافية.

أُنتجت السيارات الأخيرة في 1999؛ وألغت GM البرنامج في 2003 بحجة ارتفاع تكاليف الإنتاج وصغر السوق، وأنهت عقود الإيجار، واستردت السيارات ودمرت معظمها. وقعت احتجاجات شعبية؛ وكان فرانسيس فورد كوبولا أحد الأشخاص القلائل الذين تمكنوا من الاحتفاظ بسيارته. لا يزال الجدل قائمًا حتى اليوم حول ما الذي حدد مصير EV1 فعليًا: بينما يركز السرد الشائع على التكلفة وحجم السوق، تضع قراءة بديلة الأزمة المالية التي واجهتها GM في 1992 وتغيّر الإدارة (رئاسة جاك سميث التنفيذية) في صلب النقاش. والقاسم المشترك هو: كيمياء الرصاص الحمضي وNiMH لم تصل إلى كثافة الطاقة التي تجعل السيارة مربحة وعملية. والقطعة المفقودة كانت الليثيوم-أيون.

كيف بدأت ثورة الليثيوم-أيون؟

نُشر البحث الأساسي عن بطارية الليثيوم-أيون في السبعينيات؛ وقد تقاسم جون ب. غوديناف وM. Stanley Whittingham وأكيرا يوشينو جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019 عن هذا العمل. جاءت الانطلاقة التجارية في 1991: بدأت سوني بإنتاج وبيع أول بطاريات ليثيوم-أيون قابلة للشحن في العالم باستخدام تصميم يوشينو - وحصل هذا المنتج على اسم "الليثيوم-أيون" أيضًا. دخلت البطارية أولًا إلى الكاميرات، ثم إلى بقية الإلكترونيات الاستهلاكية؛ لم تكن السيارة الكهربائية بعد على الخريطة، لكن مخزن الطاقة الذي سيجعلها ممكنة كان قد دخل الإنتاج الضخم.

تشرح أرقام البداية لماذا تفوقت هذه التقنية. كانت الخلايا التجارية الأولى تقدم كثافة طاقة حجمية تبلغ حوالي 200 واط-ساعة/لتر - ضعف الأنظمة المعاصرة تقريبًا. ارتفعت الكثافة الغرامية من نطاق 100–120 واط-ساعة/كغ إلى ما يتجاوز 300 واط-ساعة/كغ؛ ومنذ يوم طرحها للبيع حتى الآن، تضاعفت الكثافة الحجمية ثلاث مرات خلال ثلاثة عقود. أما المنحنى الأكثر إثارة فهو التكلفة: انخفضت بطاريات الليثيوم-أيون من حوالي 9200 دولار لكل كيلوواط-ساعة إلى 78 دولارًا - انخفاض يتجاوز 99%. معظم التحولات التقنية إما توفر أداءً أو انخفاضًا في التكلفة؛ أما الليثيوم-أيون فقد حقق الاثنين معًا، وكان ذلك كافيًا لتحويل السيارة.

من المختبر إلى السيارة: خط يمتد من tzero إلى Tesla Roadster

عندما أصبحت خلايا الليثيوم أيون الخاصة بالإلكترونيات الاستهلاكية متاحة، كان مهندسو السيارات من أوائل من أدركوا ذلك. في عام 1997 قدمت شركة AC Propulsion التابعة لآلان كوتشوني tzero بقوة 150 كيلوواط (201 حصان) وبطارية رصاص حامضية. طلب مارتن إبرهارد نسخة من tzero ببطارية ليثيوم أيون؛ وكانت النتيجة تسارعاً من 0 إلى 60 ميلاً في الساعة خلال 3.7 ثانية - بتكلفة تقديرية بلغت 220,000 دولار. أثبت هذا النموذج الأولي أن سيارة رياضية بالليثيوم أيون منخفضة الإنتاج ومرتفعة الثكان قابلة للتسويق.

في عام 2003 أسس إبرهارد ومارك تاربنينغ شركة Tesla Motors؛ حاول إيلون ماسك أولاً إقناع AC Propulsion بالبدء في الإنتاج، ثم استثمر في Tesla. في عام 2008 بدأ Tesla Roadster إنتاج: أول سيارة رياضية كهربائية بإنتاج ضخم في العالم تستخدم بطارية ليثيوم أيون. الجيل الأول يستخدم نظام دفع مرخصاً من AC Propulsion، وكان مبنياً على مكونات Lotus Elise. كان الجدول التقني كما يلي:

• مدى EPA: 244 ميلاً (393 كم) - واحدة من أولى المركبات الإنتاجية التي أظهرت مدى يبلغ 200 ميل.
• 0-100 كم/ساعة: 3.9 ثانية؛ بقوة 288 حصاناً.
• الحزمة: 53 كيلوواط ساعة ليثيوم أيون.
• الإنتاج: أكثر من 2,400 وحدة بين عامي 2008 و2012؛ والسعر في 2010 كان 109,000 دولار.
• المتانة: كان من المتوقع أن تحافظ الحزمة المتوسطة على 80-85% من سعتها الأولية بعد 100,000 ميل.

كانت المساهمة الحقيقية لـ Roadster ليست التكنولوجيا، بل الإثبات: حزمة ليثيوم أيون يمكن أن تجمع مدى حقيقي وأداء حقيقي وعمر بطارية معقول في سيارة واحدة. في عام 2011 انطلقت Nissan Leaf، أول سيارة كهربائية من شركة كبيرة بمنصة خاصة، بحزمة ليثيوم أيون سعة 24.0 كيلوواط ساعة، وفي يناير 2018 تجاوزت 300,000 عملية بيع لتصبح أكثر السيارات الكهربائية بالكامل مبيعاً في التاريخ؛ ثم أخذت Tesla Model 3 هذا الرقم القياسي لاحقاً. أما الخبرة الهندسية المتبقية من EV1 فقد واصلت الحياة في خطوط Chevrolet Volt وBolt.

أين يقف هذا التحول اليوم؟

يُقاس إعادة تشكيل صناعة السيارات على يد الليثيوم أيون بالسِّعر: بحلول نهاية عام 2020 تجاوزت المبيعات التراكمية للسيارات الكهربائية الشاحنة من الفئة الخفيفة 10 ملايين وحدة. ويواصل منحنى التكلفة هبوطه - يُتوقع أن تنخفض أسعار حزم البطاريات إلى نحو 80 دولاراً/كيلوواط ساعي بحلول عام 2026؛ وفي عام 2025 كانت حزم ليثيوم فوسفات الحديد (LFP) أرخص بنسبة تتجاوز 40% في المتوسط لكل كيلوواط ساعي مقارنة بالكيمياءات البديلة. كتب الليثيوم أيون الفصل الأول من الثورة، أما ما إذا كان سيُكتب الفصل التالي ببطاريات الحالة الصلبة فهو سؤال هندسي مفتوح لا يزال قائماً.

الخلاصة: كيف جعلت ثورة العتاد ثورة سوق ممكنة؟

كانت السيارة الكهربائية تمتلك حظاً سوقياً في عام 1900 لكن بطاريتها لم تستطع الحفاظ على هذا الحظ؛ أنتجت GM EV1 منتجاً لكن بطاريتها لم تستطع تحمّل عبء الربحية. ليثيوم أيون تجاوز كلا العتبتين: كثافة الطاقة حلّت مسألة المدى، ومنحنى التكلفة حلّ مسألة السعر. كانت Tesla Roadster أول سيارة عند نقطة تقاطع هذين المنحنيين؛ وأسطول اليوم البالغ 10 ملايين سيارة هو امتداد لسلسلة بدأت في عام 1991 ببطارية كاميرا. جهّز العتاد، فتبعه السوق - الترتيب سار في هذا الاتجاه ولم يحدث العكس أبداً.

المصادر

• Timeline: History of the Electric Car
• First Electric Car: A Brief History of the EV, 1830 to Present
• History of the electric vehicle
• Lithium-ion battery
• Sony press release on lithium-ion commercialization
• Charging Up the Development of Lithium-Ion Batteries
• Battery costs have declined by 99%
• General Motors EV1
• EV1 Electric Car - National Museum of American History
• Driving the future, then and now: the story of the EV1
• Tesla Roadster (first generation)
• Tesla Roadster battery longevity
• Electric vehicle batteries - IEA Global EV Outlook 2026
• Electric vehicle battery prices