مروری بر انواع باتری های به کار رفته در خودروهای هیبریدی و برقی

حدود یک دهه پیش که هنوز خبری از حضور پر رنگ خودروهای هیبریدی یا برقی در خیابان ها نبود، امکان بحث گسترده درباره باتری های به کار گرفته شده در آنها وجود نداشت؛ اما اکنون که تعداد آنها بسیار بیشتر از قبل شده، می توان به این موضوع پرداخته و انواع باتری های موجود را به طور کلی بررسی کرد.

در حال حاضر نیسان لیف و تسلا مدل S پرفروش ترین خودروهای برقی جهان به شمار می روند. مدل ژاپنی تا پایان دسامبر 2016 بیش از 250 هزار دستگاه فروش داشته، در سوی مقابل تسلا موفق به فروش بیش از 100 هزار دستگاه مدل S شده است.

از آنجایی که انرژی مورد نیاز هر دوی این مدل های از باتری های لیتیوم یونی تامین می شود، ابتدا به بررسی این نوع از باتری ها می پردازیم.

باتری های لیتیوم یونی

باتری های لیتیوم یونی که در ابتدا با هدف تامین نیروی لوازم الکترونیکی سبک توسعه یافتند، در طول ده سال گذشته مدام در حال تکامل بوده اند و با ادامه روند کنونی بسیاری از مدل های الکتریکی و هیبریدی آینده نیز از آنها بهره خواهند برد.

این باتری ها به لحاظ ساختاری دقیقا عین هم نیستند، زیرا در لوازم الکترونیکی سبک مثل تلفن های همراه، تبلت ها و لپ تاپ ها به منظور ذخیره سازی میزان انرژی زیاد از لیتیوم کبالت اکسید (LiCoO2) استفاده می شود که این مساله دارای مزایا و معایبی است.

کاتدهای LiCoO2 در برابر حرارتی که در حین شارژ یا استفاده طولانی مدت آزاد می شود، حساسیت بیشتری دارند و در صورت افزایش دمای بیش از حد ممکن است باتری منفجر شود. شاید به همین دلیل باشد که باتری های لیتیوم کبالت اکسید هنوز در خودروها مورد استفاده قرار نمی گیرند.

برای لوازمی که نیاز به قدرت زیادی دارند، مثل وسایل برقی صنعتی، تجهیزات پزشکی و اتومبیل ها از باتری های لیتیوم یونی که بر اساس ساختار لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4)، لیتیوم منگنز اکسید (LMO) و لیتیوم نیکل منگنز کبالت اکسید (NMC) شکل گرفته اند، استفاده می شود.

تمامی ساختارهای یاد شده، امکان ذخیره سازی انرژی کمتری نسبت به ساختار LiCoO2 دارند، اما در مقابل دارای ایمنی و طول عمر بیشتر هستند. به همین جهت بسیاری از اتومبیل های هیبریدی و برقی مدرن انرژی خود را از باتری های لیتیوم یونی NMC دریافت می کنند. البته این به معنای آن نیست که همه خودروسازان از باتری های لیتیوم یونی در محصولات خود بهره می برند، زیرا برخی از شرکت ها ترجیح می دهند بنا به دلایلی کماکان از باتری های قدیمی تر استفاده کنند.

در جدول زیر می توانید بطور خلاصه مزایا و معایب باتری های لیتیوم یونی را مشاهده فرمایید.

باتری های لیتیوم یونی
مزایا	معایب
+ نسبت انرژی به وزن بهتر	- هزینه ساخت بالا
+ سرعت شارژ بالا	- کاهش تدریجی ظرفیت
+ نداشتن اثر حافظه ای

باتری های نیکل-هیدرید فلز (Ni-MH)

قدیمی ترین نوع از باتری های مدرن امروزی یا همان باتری های Ni-MH اکنون نیروبخش تعداد زیادی از خودروهای هیبریدی هستند. البته با توجه به گسترش روزافزون، باتری های لیتیوم یونی در حال پیشی گرفتن از آنها بوده و تعدادشان رفته رفته بیشتر می شود.

این نوع از باتری ها از لحاظ هزینه ساخت به مراتب به صرفه تر از نمونه های لیتیوم یونی هستند، دلیل آن هم به استفاده از هیدروژن، نیکل و تیتانیوم یا فلزات مشابه برای ذخیره سازی انرژی مربوط می شود. البته با گرایش هر چه بیشتر خودروسازان به سمت باتری های لیتیوم یونی، هزینه ساخت آنها نیز قطعا کمتر از ارقام فعلی خواهد شد.

باتری های نیکل-هیدرید فلز
مزایا	معایب
+ پایداری و مقاومت بالا	- توانایی ذخیره انرژی کمتر تا 40% نسبت به باتری های Li-ion
+ ایمنی بهتر بخاطر مواد سمی کمتر	- اندازه بزرگ تر و وزن بیشتر
+ هزینه بازیافت کمتر	- سرعت گرم شدن زیاد

باتری های دیگر

انواع مختلفی از باتری ها وجود دارند که می توانستند در صنعت خودروسازی پر کاربرد شوند، اما هیچکدام از آنها به دلایل گوناگون با استقبال مواجه نشدند. کبالت اکسید، آهن فسفات (FePo) و لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4)، لیتیوم هوا (Li-Air)، لیتیوم پولیمر (LiPo)، نیکل کبالت منگنز (NCM)، نیکل کبالت آلومینیوم (NCA) و منگنز اکسید اسپینل (MnO) برخی از این موارد هستند.

باتری های کبالت اکسید برای بیش از یک دهه است که در بازار حضور دارند. این نوع از باتری ها نیروبخش لوازم خانگی کوچک مثل تلفن، اسباب بازی ها و لپ تاپ ها بوده اند. حرارت بیش از حد و هزینه تولید بالا مخصوصا در لوازم و وسایل بزرگ جزو ایرادات اساسی این باتری ها به شمار می روند، اما در مقابل از مزیت توانایی ذخیره انرژی زیاد برخوردارند.

باتری های آهن فسفات اگر چه هزینه ساخت کم و بالاترین پایداری را دارند، اما فقط در ولتاژهای پایین فقط می توانند کار کنند، به همین جهت امکان استفاده از آنها برای تامین انرژی خودروها میسر نیست.

نمونه های لیتیوم پلیمری در واقع زیر مجموعه باتری های لیتیوم یونی به حساب می آیند. تفاوت اصلی این باتری ها با نمونه های لیتیوم یونی به طراحی پلیمرها در فرایندی با عنوان “pouch format” مربوط می شود که آن هم مزایا و معایب خاص خود را دارد. این باتری ها اخیرا وارد صنعت خودروسازی شده و برخی از اتومبیل ها با نمونه های لیتیوم پلیمری راهی بازار شده اند.

باتری های NCM و NCA هنوز فاصله زیادی با هزینه تولید بهینه داشته و نسبت به حرارت نیز حساسیت بالایی دارند، به همین جهت خودروسازان مختلف فعلا روی خوشی به آنها نشان نمی دهند.

جدیدترین و جالب ترین تکنولوژی ساخت باتری به نمونه های لیتیوم هوا (Li-Air) تعلق دارد. در این نوع از باتری ها از اکسیداسیون لیتیوم در آند و کاهش اکسیژن در کاتد برای ایجاد جریان استفاده می شود. باتری های لیتیوم هوا امکان ذخیره انرژی بسیار بیشتری نسبت به نمونه های لیتیوم یونی فعلی داشته و به احتمال زیاد در آینده کاربردهای آنها گسترش می یابد.

با در نظر گرفتن همه جوانب هنوز چندین سال لازم است تا باتری دیگری جایگزین باتری های رایج کنونی شده و بتواند به اتومبیل های هیبریدی، پلاگین (هیبریدی شارژی) راه پیدا کند. اما خبر خوش اینکه تکنولوژی ساخت باتری با سرعت خوبی رو به پیشرفت بوده و در آینده نه چندان دور مشکل میزان مسافت قابل پیمایش خودروهای برقی به طور کامل رفع خواهد شد.