نگاهی به آینده تکنولوژی باتری‌؛ آیاانقلاب صنعتی بعدی در راه است؟

تا همین 10-12 سال پیش هم صحبت باتری خودروهای برقی چندان اهمیتی نداشت زیرا انتخاب های شما بسیار محدود بود.

حال در اواخر سال 2020 و جهانی که به طور مستمر با گرمایش زمین و همه گیری ویروس کرونا در حال مبارزه است. انواع و اقسام محصولات مجهز به قوای محرکه الکتریکی قابل انتخاب هستند.

به همین دلیل تصمیم گرفتیم تا یک بررسی مختصر اما مفید را برای مدل‌های مختلف باتری که در حال حاضر در محصولات تولید انبوه مورد استفاده قرار می‌گیرد را برایتان شرح دهیم.

دو خودروی پر فروش تمام برقی نیسان لیف با فروش بیش از نیم میلیون دستگاه و تسلا مدل S با فروش بیش از 300 هزار دستگاه از باتری‌های لیتیوم یونی (یون لیتیوم) بهره می‌برند.

به همین دلیل بخش اول مطلب را با این نوع باتری شروع می‌کنیم.

در ابتدا باتری‌های لیتیوم یونی در ابعاد کوچک ساخته شده بودند و تقریبا اکثر لوازم الکترونیکی از این نوع باتری ها استفاده می‌کردند.

با گذشت زمان این باتری‌ها به طور گسترده‌ای در خودروهای مجهز به قوای محرکه برقی مورد استفاده قرار گرفته است.

انواع کوچک‌تر مورد استفاده در تلفن های هوشمند، تبلت و لپ تاپ بر پایه اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO2) ساخته شده‌اند که چگالی انرژی بسیار بالایی دارد اما معایب دیگری نیز دارد.

کاتدهای LiCoO2 مستعد فرار حرارتی هستند که در هنگام شارژ بیش از حد یا کار در دمای بالا شروع به لگد زدن می‌کنند و به همین دلیل منفجر می‌شوند.

یکی از اصلی ترین دلایل عدم استفاده از این پایه معدنی در خودروهای برقی همین مسئله است.

برای کاربری های سنگین‌تر از جمله سخت افزارهای پزشکی، ابزارهای الکتریکی و خودروها از باتری های لیتیوم یونی مبتنی بر فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4)، اکسید منگنز لیتیوم (LMO) و اکسید کبالت منگنز لیتیوم (NMC) استفاده می‌کنند.

با وجود این که تراکم انرژی این پایه‌های معدنی کمتر از LiCoO2  است، اما دارای ایمنی بیشتر و همچنین طول عمر بالاتری است.

در حال حاضر اکثر خودروهای برقی و هیبریدی مدرن از باتری‌های لیتیوم یون بر پایه NMC استفاده می‌کنند.

بزرگ ترین مزیت باتری‌های لیتیوم یونی در کل عبارتند از نسبت انرژی به وزن بهتر، سرعت شارژ و عمر بالاتر به نسبت انواع باتری های موجود فعلی.

چگالی انرژی بیشتر به معنی وزن کمتر است و به همین جهت خودروسازان در حال حاضر به طور گسترده‌ای از این نوع باتری استفاده می‌کنند.

وزن بالا یکی از پاشنه آشیل های خودروهای برقی و هیبریدی است و به همین جهت باتری سبک‌تر یک مزیت کلیدی به شمار می‌رود.

سرعت شارژ باتری‌های لیتیوم یونی چندان فرق زیادی با انواع دیگر باتری‌ها ندارد و در بهترین حالت تفاوت جزئی دارد زیرا برای شارژ سریع نیاز به فن آوری های دیگری نیز وجود دارد.

به طور معمول پس از گذراندن سیکل شارژ و دشارژ باتری، میزان ظرفیت آن کاهش پیدا می‌کند با این وجود باتری های لیتیوم یونی کمترین آسیب را در طول عمر خود مشاهده می‌کنند.

در حال حاضر باتری های مبتنی بر نیکل تلفات انرژی بیشتری دارند و با گذشت زمان ظرفیت آن کاهش پیدا می‌کند.

اما نقطه ضعف اصلی باتری های لیتیوم یونی را باید قیمت بسیار بالای آن دانست. در مقایسه با باتری های مبتنی بر نیکل در حدود 40 درصد قیمت بالاتری دارد. این مسئله حتی در زمانی که تولید انواع باتری ها ارزان تر شده نیز مشاهده می‌شود.

به طور خلاصه باتری های لیتیوم یونی بهترین دست آورد محققان و مهندسین بوده‌اند اما هنوز راه حل کامل به شمار نمی‌روند.

بخش دوم به باتری‌های نیکل فلز هیدرید (Ni-MH) تعلق دارد.

قدیمی ترین باتری های مدرن که در حال حاضر در خودروهای هیبریدی نیز استفاده می‌شود از همین دست باتری ها است.

با این وجود به مرور زمان خودروهای هیبرید، پلاگین و تمام برقی نیز به سمت استفاده از باتری‌های لیتیوم یونی  متمایل شده‌اند. در واقع اولین باتری ارزن قیمت با تولید انبوه این دست از باتری‌ها هستند.

برخلاف باتری های لیتیوم یونی، باتری های NiMH برای ذخیره کردن انرژی به هیدروژن، نیکل، تیتانیوم یا یک فلز مشابه دارند. به همین دلیل قیمت تولید آن بسیار کمتر از باتری های لیتیوم یونی است.

بزرگ ترین مزیت این باتری‌ها دوام و عمر بالای آن است. البته اگر به طور درست از آنها مراقبت کنید.

همچنین این دست از باتری های سموم کمتری تولید می‌کنند و به همین دلیل قابلیت بازیافت بسیار بالایی دارند زیرا نیکل به کار رفته در آن ارزشمند است.

بزرگ ترین نقطه ضعف باتری های NiMH چگالی انرژی پایین آن است. در حدود 40 درصد کمتر از نمونه های مشابه لیتیومی، گرچه با بزرگتر شدن باتری این مشکل تا حدودی حل می‌شود اما وزن خودرو را بسیار بالا می‌رود.

در خودروهای هیبرید، پلاگین و حتی تمام برقی، باتری‌ها نقش اساسی دارند و در صورت شارژ و دشارژ سریع باتری های NiMH گرمای زیادی تولید می‌کنند و در نتیجه نیاز به یک سیستم خنک کننده جداگانه دارند که خود مجددا وزن خودرو را زیاد می‌کند.

در بخش سوم می‌توان به انواع دیگر باتری اشاره کرد که هنوز به مرحله تولید انبوه و استفاده گسترده نرسیده‌اند اما به نوعی چشم انداز آینده باتری ها به شمار می‌روند.

دی اکسید کبالت، فسفات آهن (FePo)، فسفات آهن لیتیوم (LiFePo)، هوا و لیتیوم (Li-Air)، پلیمر لیتیوم (LiPo)، منگنز نیکل کبالت (NCM)، نیکل کبالت آلومینیوم (NCA)، اکسید منگنز اسپینل (MnO) تعداد کمی از انواع باتری های هستند که شاید در آینده خودروهای برقی نقش ایفا کنند.

دی اکسید کبالت بیش از یک دهه است که در انواع لوازم برقی کوچک استفاده می‌شود اما دو ایراد بزرگ آن فرار حرارتی بالا و قیمت بالا است گرچه از نظر تراکم و چگالی انرژی گزینه بسیار مناسبی هستند.

فسفات آهن یکی از ارزان ترین و پایدار ترین انواع باتری است اما تنها در ولتاژ پایین کار می‌کنند. در نتیجه برای نیرو رسانی به یک خودرو برقی باید تعداد بسیار زیادی از آنها را مورد استفاده قرار داد.

پلیمر لیتیوم یکی از انواع باتری های لیتیومی به شمار می‌روند که تفاوت اصلی آن ها استفاده از قالب های کیسه‌ای درون باتری است که مزایا و معایب خاص به خود را دارد.

NCM و NCA به طور کلی مقرون به صرفه نیستند و همچنین مستعد به فرار حرارتی بالا هستند.

در حال حاضر جذاب ترین ایده به باتری های لیتیوم هوا تعلق می‌گیرد که در آن برای القای جریان از اکسیداسیون لیتیوم در آند و کاهش میزان اکسیژن در کاتد استفاده می‌شود.

دو مزیت اصلی آنها چگالی بسیار بالا، تقریبا قابل مقایسه با بنزین و در حدود 5 تا 15 برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم یونی فعلی است.

برای مطالعه مطالب مرتبط با باتری های حالت جامد به مطالب زیر مراجعه کنید.

این باتری حالت جامد، برد خودروهای الکتریکی را تقریبا دو برابر می‌کند

آشنایی با عملکرد باتری های حالت جامد؛ قدم بعدی برای تکمیل انقلاب خودروهای برقی

باتری لیتیوم یونی چگال؛ انقلاب سوئیسی ها برای پیمایش یک هزار کیلومتری