داخل المصنع الصغير الذي تصنع فيه جنرال موتورز مستقبل سياراتها الكهربائية

إذا كنت تقود في حرم مجمع جنرال موتورز في وارن بولاية ميشيغان، فمن المرجح أن تتجاهل المبنيين الأبيضين المجاورين المجهولين الواقعين في الجزء العلوي من المساحة البالغة 710 هكتارات. داخل هذين المبنيين، اللذين تبلغ مساحتهما الإجمالية نصف مليون قدم مربع، يجري مشروع بناء ضخم لا يزال قيد الإنجاز. وبعد اكتماله، سيقع موقع […]

إذا كنت تقود سيارتك بالقرب من حرم جنرال موتورز المترامي الأطراف في وارن بولاية ميشيغان، فمن المحتمل أن تفوت مبنيين متجاورين باللون الأبيض لا يوصفان يقعان فوق الموقع الذي تبلغ مساحته 710 فدانًا.

وداخل هذه المباني التي تبلغ مساحتها الإجمالية نصف مليون قدم مربع، هناك مشروع بناء ضخم لا يزال قيد التنفيذ. وبمجرد الانتهاء منه، فإنه سيضم مركز تطوير خلايا البطارية الجديد التابع لشركة جنرال موتورز، حيث تعمل شركة صناعة السيارات بقوة على بناء خلايا نموذجية جديدة تهدف إلى خفض تكاليف سياراتها الكهربائية.

تحتاج جنرال موتورز إلى تصنيع سيارات أسرع وأرخص لتحقيق هدفها المتمثل في بيع سيارات كهربائية بأسعار معقولة بكميات أكبر بكثير. سيتعين على هذه السيارات الكهربائية التنافس ليس فقط مع شركة Tesla الرائدة في المبيعات منذ فترة طويلة، ولكن أيضًا مع طوفان السيارات الكهربائية الصينية التي ستهبط عاجلاً أم آجلاً في الولايات المتحدة. وبينما يبدو أن مبيعات السيارات الكهربائية في الولايات المتحدة تتباطأ، فإن أمريكا أمامها طريق طويل لتقطعه قبل أن تتمكن من التنافس بشكل موثوق مع الصين، سوق السيارات الكهربائية الرائدة في العالم.

ومع ارتفاع أسعار الوقود بنسبة 40 في المائة هذا العام نتيجة للحرب في إيران، كان هناك ارتفاع في عدد المشترين المهتمين بالسيارات الكهربائية الجديدة والمستعملة - ولكن معظمهم في نماذج بأسعار أقل من متوسط سعر السيارة الجديدة اليوم وهو 50 ألف دولار. في حين تبيع شركة جنرال موتورز المزيد من السيارات الكهربائية في الولايات المتحدة أكثر من أي شركة أخرى بعد تيسلا، فإن معظم تشكيلتها تظل باهظة التكلفة بفضل حزمة البطارية، التي تمثل 30 إلى 40 في المائة من التكلفة الإجمالية.

خلال جولة أجريتها في أوائل شهر سبتمبر، وبعد ارتدائي قبعة صلبة ونظارات واقية وسترة واقية، ألقيت نظرة عن قرب على الأدوات التي ستستخدمها جنرال موتورز لتصنيعها. بطاريات أحدث وأرخص: أحواض كبيرة لخلط ملاط ​​الخلايا، وآلات طلاء تقوم بترسيب مادة الإلكترود على الفيلم، وآلات لعشرات الخطوات الأخرى في عملية تحويل المعادن إلى خلايا تخزن الطاقة وتنقلها. المصنع الذي قمت بجولة فيه سيكون مصنعًا منخفض الحجم من شأنه أن يسمح للمهندسين بوضع نماذج أولية لإنتاج كميات أكبر من المصانع العملاقة التي تبلغ قيمتها مليار دولار.

تظهر المنشأة الجديدة أن شركة جنرال موتورز تلعب لعبة طويلة، حيث تعمل على تطوير خلايا جديدة تستخدم كميات أقل من المعادن التي تسيطر عليها الصين على مستوى العالم، أو لا تستخدمها على الإطلاق. على الرغم من أن العلماء الأمريكيين قاموا بالبحث والتطوير الأصليين على معظم المواد الكيميائية الخلوية الجديدة، إلا أن الشركات الآسيوية هي التي طورت هذه المواد الكيميائية وكررتها وجلبتها إلى الإنتاج الضخم.

إن الجهود التي بذلتها الصين على مدى 15 عاماً لكسب السيطرة العالمية على إمدادات ومعالجة المعادن المستخدمة في الخلايا اليوم، وخاصة الكوبالت والنيكل والأتربة النادرة، تعني أن خلايا المستقبل سوف تضطر إلى استخدام معادن مختلفة للهروب من هيمنة البلاد. على سبيل المثال: تستخدم خلايا LMR الجديدة أو الخلايا الغنية بالمنغنيز الليثيوم كمية قليلة جدًا من الكوبالت أو النيكل. ثانياً: أعلنت جنرال موتورز هذا الربيع أنها تعمل مع شركة Peak Energy الناشئة على خلايا أيون الصوديوم لتخزين الطاقة.

قد يستغرق الأمر عقدًا من الزمن أو أكثر حتى تخرج مثل هذه المواد الكيميائية الجديدة من المختبر إلى الإنتاج الضخم. لكن جنرال موتورز ليس لديها الكثير من الوقت. وقد تبيع الصين سياراتها الكهربائية للأمريكيين بحلول ذلك الوقت. مهندسو البطاريات في الشركة واثقون من أنه باستخدام مرافق جديدة داخل تلك المباني غير المكشوف عنها على بعد 15 ميلاً شمال ديترويت، يمكنهم إطلاق كيمياء خلايا جديدة وقوالب للسيارات الكهربائية وأنظمة تخزين طاقة البطاريات في وقت أقل من المتوقع. مستقبل هذه الشركة يعتمد على نجاحها.

[الصورة: مهندس يتفقد نظام الضغط في مركز تطوير خلايا البطارية الجديد التابع لشركة جنرال موتورز.

في يونيو/حزيران، أخبرني كيرت كيلتي، مسؤول البطاريات في جنرال موتورز، أن مركز تطوير خلايا البطارية الجديد، أو BCDC، سيوفر "جسراً حيوياً من مختبر البحث والتطوير إلى الإنتاج" من خلال الجمع بين النمذجة الافتراضية، وقدرات الاختبار المادي وخطوط الإنتاج صغيرة الحجم. الهدف هو ملء الحلقة المفقودة بين إنشاء خلايا جديدة ونماذجها الأولية وإدخالها في إنتاج بكميات كبيرة.

ويقدر رئيس BCDC مو جاليجوس التكلفة الإجمالية بـ 900 مليون دولار. في ذروة الإنتاج، قد ينتج BCDC من 4 إلى 5 جيجاوات ساعة من الخلايا. لكن الهدف ليس الكمية؛ إنها ذات جودة

داخل المختبر الذي تبلغ مساحته 500 ألف قدم مربع، رأيت الكثير من الآلات اللازمة لبناء خلية، بدءًا من خلط الملاط للطلاء الذي يشكل قطبًا كهربائيًا للخلية إلى أجهزة الشحن التي تزود الخلية النهائية بالطاقة لأول مرة. سيتم استخدام النبات الصغير في كيمياء الخلايا المتعددة وأشكال مختلفة، بدءًا من الخلايا المنشورية. ويهدف إلى اختبار عمليات إنتاج الخلايا الصناعية، وإثبات تقنيات ووصفات الإنتاج وتحسينها قبل تنفيذها على نطاق واسع.

في حين أن BCDC سوف تنتج خلايا عاملة فعلية، فإنها ستفعل ذلك بكميات أقل بكثير وبمعدل أبطأ من خطوط الإنتاج في مصانع الخلايا واسعة النطاق. يقوم مطورو بطاريات جنرال موتورز بعد ذلك بنقل المعرفة المكتسبة من عملية الاختبار هذه إلى شركائهم في تصنيع الخلايا لجلب التصميمات الجديدة إلى الحجم الكامل.

ومن المرجح أن تشمل هذه المصانع مصنعين تديرهما شركة Ultium Cells LLC، وهو مشروع مشترك لتصنيع الخلايا بين جنرال موتورز وشريكتها في مجال الخلايا LG Energy Solutions. سيتم افتتاح المصنع الأول في وارن بولاية أوهايو في عام 2022 وسيقوم بتصنيع خلايا أكياس كبيرة الحجم من النيكل والمنغنيز والكوبالت والألومنيوم لخط جنرال موتورز من السيارات الكهربائية (باستثناء بولت 2027). والثاني، في سبرينج هيلز بولاية تينيسي، تم افتتاحه في أوائل عام 2024 وينتج الآن خلايا فوسفات أيون الليثيوم لتخزين طاقة البطاريات.

من بين المبنيين BCDC، يحتوي الأول على الأنود والكاثود على الجانبين المتقابلين، مع مجموعة القطب الكهربائي في المنتصف. ينقل الجسر لفات فيلم القطب الكهربائي إلى مبنى ثانٍ، حيث يتم تجميع الخلايا وشحنها واختبارها لمدة تتراوح بين 8 إلى 11 يومًا. يحتوي الطابق الثاني على المعادن والأغشية والمكونات المطلوبة، بالإضافة إلى مجموعة رائعة جدًا من معدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) للعمليات المعقمة والخالية من الغبار والمناسبة لدرجة الحرارة.

من المقرر أن يقوم BCDC بإنتاج أول خلايا اختبارية له - الخلايا المنشورية LMR - في الربع الأخير من هذا العام. لكنها لن تصل إلى حجم الإنتاج في مصنع Ultium's Spring Hill حتى عام 2028. وبعد اختبارات خلايا LMR، ستتم إضافة أيونات الصوديوم. يتم تطوير الخلايا المنشورية لـ BESS مع شركة Peak Energy الناشئة.

[الصورة: لقطة مقرّبة لمادة البطارية الرقيقة قبل دمجها في عملية تجميع الخلية.

المشكلة التي يحاول BCDC حلها هي الفجوة بين إنشاء مركبات كيميائية خلوية جديدة على نطاق صغير وإنتاجها بكميات كبيرة بمئات الآلاف أو الملايين. إن نقلها من التطوير إلى التسويق يعني فهم كيفية صنعها. الأمر الذي يتطلب اختبار عمليات وطرق الإنتاج للتأكد من جودة الخلايا النهائية وكميتها.

يمكنك التفكير في إطلاق خلية في أربع خطوات: تطوير كيمياء جديدة، واختبار النماذج الأولية، ومعرفة كيفية تصنيعها، ومن ثم تكثيف الإنتاج.

لقد تم تركيز المرحلة الأولى في مختبر البحث والتطوير في كيترينج التابع لشركة جنرال موتورز لعقود من الزمن. قامت الشركة بتطوير واختبار كيمياء وخلايا جديدة لسيارة EV1 الرائدة، شيفروليه فولت 2011، وكيمياء LMR التي تخطط الشركة لإطلاقها في عام 2028. لكن الأمر يقتصر على إثبات خلية واحدة في كل مرة، في أشكال "عملة معدنية" صغيرة أو حقيبة.

قدمت جنرال موتورز المرحلة الثانية عندما افتتحت مركز والاس لابتكار خلايا البطاريات في عام 2023. يستطيع والاس تصنيع هذه الخلايا الجديدة على دفعات صغيرة، واختبار ما إذا كانت الكيمياء الجديدة تستمر في العمل وتظل قابلة للحياة في الخلايا المشابهة لتلك المستخدمة في المنتجات النهائية.

الآن، وصلت المرحلة الثالثة إلى BCDC، بجوار والاس مباشرةً. إنها تستخدم آلات تصنيع الخلايا وتجميع البطاريات في العالم الحقيقي لتصنيع آلاف الخلايا يوميًا - مما يضمن بشكل مثالي أن يتم التوسع النهائي في مصنع أكبر بسلاسة. وقد تم تصميمه بضعف المساحة الأرضية المستخدمة في الأصل للتوسع المستقبلي، والكيمياء المتعددة، وتنسيقات الخلايا المتعددة.

تاريخيًا، تم التعامل مع هاتين المرحلتين الثانية والثالثة من قبل الشركات المصنعة للبطاريات. لقد كانت الحلقة المفقودة بين الكيمياء الجديدة والإنتاج الكبير، والذي يتم دائمًا تقريبًا في الخارج. وسيقوم والاس وBCDC معًا بتزويد جنرال موتورز بمساحة تبلغ مليون قدم مربع تقريبًا لتطوير البطاريات. (رفضت جنرال موتورز تحديد عدد الموظفين في كل منشأة، قائلة إن العدد يختلف).

المرحلة الرابعة والأخيرة هي الإنتاج التجاري على نطاق واسع، سواء في خلايا Ultium أو غيرها من المصانع ذات الحجم الكبير.

لمقارنة حجم كل مرحلة، قد ينتج فريق البحث والتطوير في Kettering لترًا واحدًا من الملاط لتغليف طبقة القطب الكهربائي لاختبار الخلايا الفردية. مختبر والاس يصل إلى 40 لترًا في المرة الواحدة. الآن، سوف تكون BCDC قادرة على إنتاج 1500 إلى 2000 لتر في المرة الواحدة، في حين أن مصانع الخلايا ذات الحجم الكبير تدير إصدارات متعددة من نفس العملية مرة واحدة أو مرتين في كثير من الأحيان.

[الصورة: أحد مهندسي جنرال موتورز يتفقد المعدات التي تمنح مطوري البطاريات طريقة عملية لدراسة وتحسين كيفية عمل المواد قبل إنتاج الخلايا على نطاق واسع.

قبل بدء التصنيع الفعلي، يستخدم مهندسو الخلايا المحاكاة الافتراضية أثناء العملية. وقال رادو تيوني، مدير الهندسة الافتراضية لمجموعة نقل الحركة العالمية في جنرال موتورز، إن المرونة في تطوير التصاميم الجديدة وتعديلها بسرعة تأتي من استخدام "التوائم الرقمية" لمحاكاة العمليات قبل دخول أجهزة الإنتاج إلى العملية. ومن الأمثلة المعروفة في عالم السيارات استخدام برامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) لنمذجة التصميمات الهيكلية والاستجابة للحوادث. على مدار عقود من الزمن، سمحت عمليات المحاكاة لشركات صناعة السيارات بتسريع أعمالها الهندسية وتقليل عدد النماذج الأولية للسيارات الباهظة الثمن التي لا بد أن تتعطل حتمًا للتحقق من سلامتها.

وبالمثل، بدءًا من السلوك الداخلي لكيمياء الخلية الجديدة وحتى خطوات التصنيع لكل مكون - على سبيل المثال، كيفية دمج الجزيئات بشكل كامل في "خلاط كوكبي مزدوج عالي القص" لإنتاج الملاط - فإن الوقت الذي يتم توفيره من خلال النمذجة يمكن أن يقلل أسابيع وأشهرًا من الجدول الزمني لنقل خلية جديدة من المختبر إلى السوق.

في الآونة الأخيرة، اعتمدت جنرال موتورز بشكل كبير على الذكاء الاصطناعي في مجموعة متنوعة من نماذج المحاكاة الافتراضية المختلفة. وبالاعتماد على كنزها الهائل من بيانات البطارية السابقة لمدة 10 سنوات، قالوا إن نماذجها اللغوية الكبيرة تتنبأ الآن بنتائج العشرات من التغييرات الكيميائية الطفيفة وتغيرات العملية بشكل أسرع بكثير من أي نماذج أولية واختبارات فيزيائية. وقال إن هذه النتائج دقيقة للغاية عند نقلها إلى النماذج الأولية في العالم الحقيقي.

على مستوى الكيمياء، تسمح المحاكاة لشركة جنرال موتورز بوضع نموذج "ماذا يحدث إذا أضفنا المزيد من السيليكون، وماذا يحدث إذا قمت بتقليل محتوى الكوبالت". وأضاف كيلتي: "يجب أن نكون قادرين على محاكاة شيء ما في الأيام القليلة المقبلة". وهذا يسمح للشركة بتغيير عمليات الإنتاج حسب الحاجة، ثم إعادة التصميم. إذا تم إجراؤها بواسطة شركة تصنيع خلايا خارجية، فقد تستغرق العملية شهورًا.

ووفقا لهم، فإن النمذجة المكثفة لخلط الجزيئات في خلاطات الملاط تسمح لشركة جنرال موتورز بتقليل وقت الخلط إلى النصف مقارنة بالطريقة الموصى بها من قبل الصناعة، دون التأثير على جودة الخلية أو أدائها. بشكل عام، قالوا إن الشركة تتوقع وضع الخلية خلال العملية الشاملة في "حوالي نصف الوقت" - على الرغم من رفض جنرال موتورز تحديد الجداول الزمنية أو مقدار الوقت الذي وفرته. وفي وقت سابق، اقترح كيلتي أنه يمكن أن يسمح لشركة جنرال موتورز بالتأجيل في تطوير كيمياء خلوية جديدة واعدة لمدة عام.

تشمل عملية النمذجة كل مستويات تطوير السيارة: توأم رقمي للسيارة الكهربائية بأكملها. واحدة لحزمة البطارية؛ واحد للخلايا في الداخل. توأم رقمي للقطب الكهربائي يقوم بنمذجة سلوك الجزيئات الموجودة على الأقطاب الكهربائية أثناء تفريغ الخلية وإعادة شحنها. وأخيرًا توأم على المستوى الذري لنموذج انتشار الليثيوم من خلال الأقطاب الكهربائية والكهارل.

يتم نقل الطرق بسهولة وبساطة بين الكيمياء. وأضاف هيوني: "بالنسبة لخلايا البطاريات، فإن "النمذجة لا تعتمد على الكيمياء. وللانتقال من NMCA إلى خلايا أيون الصوديوم، نقوم فقط بتغيير الذرات في النموذج. والمعادلات الأساسية لميكانيكا الكم معروفة جيدًا".

[في الصورة: مو جاليجوس، رئيس مركز تطوير خلايا البطاريات الجديد في جنرال موتورز، مع الآلات التي تسمح لمهندسيه بإعداد نماذج أولية لخلايا جديدة قبل نقل العملية إلى المصانع الكبيرة.

تتطلب محاكاة سلوك الخلية على مستوى الذرة تلو الذرة قدرًا كبيرًا من القوة الحاسوبية، حتى قبل محاكاة عملية التصنيع بأكملها لبناء الخلية بكميات كبيرة. خلال جولتنا، أشار جاليجوس إلى أن مجمع تطوير البطاريات يستهلك طاقة أكبر من أي جزء آخر من حرم جامعة وارن المترامي الأطراف.

لكن الشركة كانت تقوم منذ فترة طويلة بإجراء عمليات حوسبة مكثفة، وبدأت قبل وقت طويل من ظهور السيارات الكهربائية الحديثة. بعد وقت قصير من دخول القواعد التنظيمية الأولى الخاصة بالانبعاثات حيز التنفيذ قبل نصف قرن من الزمان، بدأت شركة جنرال موتورز في استخدام أجهزة الكمبيوتر لوضع نموذج لمراحل احتراق البنزين في محركاتها. مع مرور الوقت، مع اكتساب المحركات لصمامات متعددة، وكاميرات متعددة، وتوقيت الصمام المتغير، والحقن المباشر، والشواحن التوربينية، ومجموعة متزايدة من الأجهزة لجعل عملية الاحتراق المسرفة بطبيعتها أكثر كفاءة، فقد اعتمدوا على نماذج حاسوبية أكثر قوة من أي وقت مضى. قد يكون أحد الأمثلة المحددة هو نمذجة تكوين جزيئات السخام في احتراق الديزل - وكيفية تقليلها.

وقال أنهايوني إن هذه الخبرة والقدرة الحاسوبية المتاحة سمحت للشركة "بإطلاق الكثير من القيمة" لأنه كان "من السهل استخدام هذه الفيزياء المتعددة، والأدوات الدقيقة للغاية في العديد من المجالات المختلفة التي ربما لم يتم استخدامها من قبل".

وخلال الجولة، قال هايوني إن القوة الحاسوبية للشركة تأتي في المرتبة الثانية بعد المعامل الوطنية للبلاد في الولايات المتحدة. وأضاف هيوني أن "وتيرة النمو في النمذجة الذرية سريعة"، مشيراً إلى أن قدرات الذكاء الاصطناعي للشركة توسعت بشكل كبير في الأشهر الستة الماضية.

يضيف جانب محرك الاحتراق في المنزل الآن الذكاء الاصطناعي بشكل كبير إلى صندوق أدواته، على الرغم من أن مصممي النماذج الخلوية يشعرون أنهم ما زالوا في الطليعة. ووفقا لهم، فإن النمذجة الذرية والعملية التي يتم إجراؤها في خلايا LMR قيد التطوير تتطلب ثلاثة أضعاف القدرة الحسابية التي تتطلبها نمذجة عمليات الاحتراق لمحرك البنزين.

من الواضح أن Kelty يتم تنشيطها من خلال إمكانيات أدوات النمذجة والمحاكاة الجديدة القائمة على الذكاء الاصطناعي. وقال إنه على المدى الطويل، "نريد التخلص من الاختبار" - أو على الأقل تقليل الاختبار المادي للخلايا النموذجية وطرق تصنيعها بشكل كبير. إن إجراء اختبارات فيزيائية أقل لتطوير وصقل خلايا جديدة يمنح جنرال موتورز المزيد من المرونة في الاستجابة لبيانات الاختبار الواقعية. واقترح كيلتي أن الهدف النهائي هو أن يقوم النظام بتطوير أبحاثه وتطويره إلى الحد الذي تستطيع فيه نماذج الذكاء الاصطناعي الخاصة به تصنيع كيمياء خلية جديدة بمفردها. لكنه قال إنهم ليسوا هناك.