انقلاب وسایل نقلیه الکتریکی با نسل جدید باتری ها
محققان در حال آزمایش طرح‌های مختلفی هستند که می‌توانند هزینه‌ها را کاهش دهند، برد خودرو را افزایش دهند و پیشرفت‌های دیگری را ارائه دهند. در این مقاله همه چیز درباره باتری خودروهای الکتریکی را بررسی خواهیم کرد.
انقلابی در باتری‌های خودروهای الکتریکی در حال شکل‌گیری است. خودروساز ژاپنی تویوتا سال گذشته اعلام کرد که قصد دارد خودرویی را در سال‌های 2027 تا 28 عرضه کند که بتواند 1000 کیلومتر را طی کند و تنها در 10 دقیقه شارژ شود، با استفاده از نوع باتری که اجزای مایع را با مواد جامد تعویض می‌کند.
سازندگان چینی خودروهای مقرون به صرفه‌ای را برای سال 2024 معرفی کرده‌اند که دارای باتری‌هایی هستند که نه بر اساس لیتیومی که بهترین خودروهای برقی امروزی (EVs) را تامین می‌کند، بلکه بر پایه سدیم ارزان قیمت – یکی از فراوان‌ترین عناصر در پوسته زمین- است. و یک آزمایشگاه ایالات متحده، جهان را با سلولی رویایی شگفت زده کرده است که بخشی از آن روی هوا کار می کند و می تواند انرژی کافی برای تامین انرژی هواپیماها را ذخیره کند.
این و سایر اخبار مرتبط بر طرح‌های جایگزین برای باتری‌های لیتیوم یون معمولی تکیه می‌کنند که برای دهه‌ها بر خودروهای برقی تسلط داشته‌اند. اگرچه شکست دادن لیتیوم یون سخت است، اما محققان فکر می کنند که طیف وسیعی از گزینه ها به زودی بخش های مختلف بازار را پر خواهند کرد: برخی بسیار ارزان، برخی دیگر قدرت بسیار بیشتری را ارائه می دهند. گربراند سدر، دانشمند مواد در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، می گوید: ما شاهد تنوع بازار خواهیم بود.
امروزه بازار دنبال کردن باتری های بهتر خودرو شدیدا داغ است، تا حد زیادی به این دلیل که قیمت باتری ها سر به فلک کشیده است. بیش از ده ها کشور اعلام کرده اند که تمام خودروهای جدید باید تا سال 2035 یا زودتر برقی شوند. آژانس بین‌المللی انرژی پیش‌بینی می‌کند که ذخیره جهانی خودروهای الکتریکی در جاده‌ها از 16.5 میلیون در سال 2021 به نزدیک به 350 میلیون تا سال 2030 افزایش خواهد یافت (به go.nature.com/42mpkqy مراجعه کنید)، و تقاضا برای انرژی از باتری‌های EV به 14 تراوات ساعت (TWh) تا سال 2050 خواهد رسید که 90 برابر بیشتر از سال 2020 است.
باتری های خودرو لیست سختی از نیازهای اولیه دارند. آنها باید انرژی زیادی را با وزن کمتر ارائه کنند تا خودروها بتوانند با یک بار شارژ مسافت بیشتری حرکت کنند. آنها باید قدرت کافی برای شتاب را فراهم کنند، سریع شارژ شوند، طول عمر بالایی داشته باشند (استاندارد رایج مقاومت در برابر 1000 چرخه شارژ کامل است که برای مصرف کننده باید 10 تا 20 سال دوام بیاورد)، به خوبی در محدوده دمایی وسیع کار کنند و ایمن و مقرون به صرفه باشند. لیندا نظر، محقق باتری در دانشگاه واترلو، کانادا، می‌گوید: «بهینه‌سازی همه این موارد در یک زمان بسیار سخت است.
بنابراین محققان گزینه های زیادی را با هدف های مختلف در ذهن دنبال می کنند. برنامه Battery500 وزارت انرژی ایالات متحده (DoE’s) که در سال 2017 راه اندازی شد، با هدف چگالی انرژی سلولی 500 وات ساعت بر کیلوگرم (Wh kg-1) است که در مقایسه با بهترین محصولات امروزی 65 درصد افزایش می یابد.
برنامه PROPEL-1K که سال گذشته توسط آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته ایالات متحده-انرژی راه‌اندازی شد، هدف بلندمدت 1000 Wh kg-1 را هدف‌گذاری کرده است.
در مورد هزینه، دفتر فناوری های خودرو وزارت انرژی قصد دارد تا سال 2030 به 60 دلار آمریکا در هر کیلووات ساعت برسد، یعنی تقریباً نصف قیمت های امروزی، که به نظر می رسد به این معنی است که قیمت خودروهای برقی کاهش می یابد.
تعیین وضعیت فعلی بسیار دشوار است. اعلان‌های تجاری در مورد باتری‌ها یا خودروهایی که هنوز عرضه نشده‌اند، گاهی اوقات بر یک معیار بیش از سایر معیارها تأکید می‌کنند و بررسی ادعاهای اختصاصی تا زمانی که باتری‌ها برای سال‌ها در خودروهای دنیای واقعی آزمایش نشده باشند، غیرممکن است.
خانم نظر می‌گوید، اما واضح است که دهه‌ها کار روی انواعی مانند باتری‌های حالت جامد و سدیم در نهایت به نتیجه می‌رسد. در مورد آینده دور، تعداد زیادی از مواد شیمیایی باتری همچنان احتمالات وسوسه انگیزی هستند. او می‌گوید: «اکنون همه پذیرفته‌اند که توسعه باتری واقعاً مهم است، همه برای انجام آن از خود دست می‌کشند.
تکامل الکترود:
باتری ها در واقع ساندویچ های شیمیایی هستند که با انتقال یون های باردار از یک طرف (آند) به طرف دیگر (کاتد) از طریق برخی مواد میانی (الکترولیت) در حالی که الکترون ها در یک مدار بیرونی جریان دارند، کار می کنند. شارژ مجدد باتری به معنای بازگرداندن یون ها به آند است.
امروزه اکثر خودروهای الکتریکی با برخی از انواع باتری های لیتیوم یونی کار می کنند. لیتیوم سومین عنصر سبک در جدول تناوبی است و دارای یک الکترون بیرونی فعال است که یون های آن را حامل انرژی بزرگی می کند. یون های لیتیوم بین یک آند که معمولاً از گرافیت ساخته می شود و یک کاتد ساخته شده از یک اکسید فلزی حرکت می کنند که هر دو میزبان یون های لیتیوم بین لایه های اتمی هستند. الکترولیت معمولاً یک مایع آلی است.
باتری‌های لیتیوم یونی از زمان اولین محصول تجاری در سال 1991 بسیار بهبود یافته‌اند: چگالی انرژی سلول تقریباً سه برابر شده است، در حالی که قیمت‌ها به میزان 3 کاهش یافته است. سدر می گوید: «لیتیوم یون یک رقیب بزرگ است و با وجود زمینه های بیشتر برای بهبود، برخی می گویند لیتیوم یون برای مدت طولانی پادشاه خواهد بود.
وینفرید ویلکه، دانشمندی که اخیراً در لوس آلتوس کالیفرنیا بازنشسته شده و سرپرست پروژه تحقیقات باتری IBM از سال 2009 تا 2015 بوده است، می‌گوید: «فکر می‌کنم یون لیتیوم برای دهه‌ها فناوری نیروبخش خودروهای الکتریکی خواهد بود، زیرا به اندازه کافی خوب است.
بیشتر پیشرفت‌ها در لیتیوم یون تاکنون ناشی از تغییرات در مواد کاتد بوده که منجر به ایجاد چندین نوع سلول تجاری شده است. یکی از آنها که در لپ تاپ ها محبوب است، از اکسید کبالت لیتیوم استفاده می کند که باتری های نسبتا سبک اما گران قیمتی تولید می کند.
برخی دیگر که در بسیاری از خودروها محبوب هستند، از ترکیبی از نیکل و کبالت با آلومینیوم یا منگنز به عنوان تثبیت کننده (NCA و NCM) استفاده می کنند. سپس لیتیوم فسفات آهن (LFP) وجود دارد که بدون کبالت و نیکل گران قیمت عمل می کند، اما تاکنون چگالی انرژی نسبتاً ضعیفی دارد. قیمت LFP آن را جذاب کرده است و بسیاری از محققان و شرکت ها در حال تلاش برای بهبود آن هستند. تسلا سازنده آمریکایی خودروهای برقی به ویژه در سال 2021 تصمیم گرفت باتری های LFP را در خودروهای میان رده خود جایگزین کند.
زمینه برای تغییرات بیشتر در کاتد وجود دارد. در باتری‌های NCM، محققان کبالت گران‌تر را به نفع نیکل، که چگالی انرژی بالاتری نیز فراهم می‌کند، عقب می نشینند. این مسیر منجر به تولید کاتدهای تجاری باتری NCM811 با 80 درصد نیکل شده است و محققان اکنون روی NCM955 با 90 درصد نیکل کار می کنند.
در همین حال، در آند، یکی از گزینه‌های رایج، تعویض گرافیت با سیلیکون است، ماده‌ای که می‌تواند ده برابر بیشتر اتم‌های لیتیوم را در هر وزن ذخیره کند. چالش این است که سیلیکون در طول چرخه های شارژ-دشارژ حدود 300 درصد منبسط و منقبض می شود و فشار ساختاری زیادی بر باتری وارد می کند و طول عمر آن را محدود می کند.
حتی بهتر از آند سیلیکون، خود لیتیوم است. مهندس شیمی برایان کانینگهام در دفتر فناوری وسایل نقلیه وزارت انرژی در آرلینگتون ویرجینیا می گوید: «شما هیچ ماده هدر رفته ای ندارید. علاوه بر کاهش وزن، این می تواند شارژ را سرعت بخشد، زیرا انتظاری برای شکاف یون های لیتیوم در بین لایه ها وجود ندارد (این تغییر، از نظر فنی، طراحی را به جای باتری لیتیوم یونی، به یک باتری لیتیوم-فلزی تبدیل می کند).
اما یک مشکل بزرگ در مورد این استراتژی این است که در طول شارژ مجدد، لیتیوم تمایل دارد به طور ناموزون روی آند رسوب کند، با نقاط داغی که گره هایی به نام دندریت را تشکیل می دهند، که می توانند از طریق الکترولیت به بیرون برسند و باتری را اتصال کوتاه کنند.
باتری‌های مبتنی بر لیتیوم با الکترودهای بهتر، از نظر تئوری، می‌توانند به چگالی انرژی عظیمی دست یابند، اما اغلب از نظر طول عمر سلولی یا ایمنی، دارای معاوضه‌هایی هستند.
سال گذشته، یک گروه از محققان در چین، سلولی با آند فلزی لیتیوم (و نوعی کاتد غنی از لیتیوم) را گزارش کردند که در آزمایشگاه به بالاتر از 700 وات ساعت کیلوگرم بر یک رسید. شرکت نوپا این گروه، WeLion New Energy در پکن، قصد دارد این باتری را به همراه گزینه های دیگر توسعه و تجاری سازی کند.
یکی دیگر از ایده‌های که چگالی انرژی بالا را ارائه می‌کند، باتری لیتیوم سولفور (LiS) با آند لیتیوم-فلز و کاتد گوگرد است. اما گوگرد با لیتیوم واکنش نشان می دهد و محصولات محلول تولید می کند که می تواند روی آند رسوب کند و باتری را از بین ببرد. سدر می گوید LiS “30 سال است که آزمایش شده است و هنوز هم چالش های بزرگی دارد.”
با وجود چنین مشکلاتی که باتری‌ها را با الکترودهای بهتر آزار می‌دهند، بسیاری می‌گویند فریبنده‌ترین راه‌حل جایگزینی الکترولیت مایع با یک جامد است.
ایده جامد:
ایده باتری های حالت جامد استفاده از یک پلیمر سرامیکی یا جامد به عنوان الکترولیت است که میزبان عبور یون های لیتیوم است اما به جلوگیری از تشکیل دندریت کمک می کند. این نه تنها استفاده از آند تمام لیتیوم را آسان‌تر می‌کند – با مزیت چگالی انرژی همراه – بلکه خلاص شدن از شر مایع آلی قابل اشتعال همچنین به معنای از بین بردن خطری است که می‌تواند باعث آتش‌سوزی شود.
خانم نظر می‌گوید معماری سلولی باتری‌های حالت جامد ساده‌تر از سلول‌های مبتنی بر مایع است. و باتری‌های جامد، در تئوری، هم در دماهای پایین (زیرا مایعی وجود ندارد که وقتی سرد است چسبناک‌تر شود) و هم در دماهای بالا بهتر کار می‌کنند (زیرا اتصالات با الکترودها در هنگام گرما زیاد آسیب نمی‌بینند).
اما چالش‌هایی وجود دارد: به‌ویژه، نحوه ایجاد یک رابط صاف و بی‌عیب بین لایه‌ها. همچنین، انتقال یون ها از طریق یک جامد نسبت به مایع، قدرت محدودتر کندتر است. و باتری های حالت جامد نیاز به یک فرآیند تولید کاملاً جدید دارند. سدر می‌گوید: «از همه چیزهایی که می‌بینیم، گران‌تر خواهند بود». باتری جامد آینده بزرگی دارد، اما تحقق آن بسیار دشوار است.
برخی از شرکت های باتری سازی با حالت جامد در حال حرکت به جلو هستند. به عنوان مثال، Solid Power مستقر در کلرادو در لوئیزویل (همکاری با خودروسازان BMW و Ford)، تولید آزمایشی یک سلول حالت جامد با آند مبتنی بر سیلیکون را آغاز کرده است که به گفته آنها 390 Wh کیلوگرم در کیلوگرم می‌رسد، و کالیفرنیا QuantumScape مبتنی بر QuantumScape (که قراردادهایی با سازندگان از جمله فولکس واگن امضا کرده است) دارای یک باتری حالت جامد است که از مزایای آند لیتیومی با وزن کمتر و طراحی بدون آند برخوردار است.
فلز لیتیوم در سمت آند جمع می شود، اما برای شروع نیازی به صفحه لیتیومی وجود ندارد. برخی از این جزئیات باتری اختصاصی هستند. QuantumScape برخی از داده های عملکرد نمونه اولیه را منتشر کرده است، اما نمی گوید الکترولیت آن از چه چیزی ساخته شده است یا چگالی انرژی اولین محصول تجاری مورد نظرش چیست. سدر می‌گوید به طور کلی، چگالی انرژی بالاتر برای باتری‌های حالت جامد “امروزه در هر مقیاس تجاری ثابت نشده است”.
به نظر می رسد خودروهای واقعی که با باتری های حالت جامد کار می کنند همیشه در افق دور هستند: به عنوان مثال، تاریخ هدف اولیه تویوتا برای تجاری سازی آنها در اوایل دهه 2020 اکنون به اواخر دهه 2020 کاهش یافته است.
سیدر هشدار می‌دهد که وقتی صحبت از باتری‌ها می‌شود، «تویوتا در ده سال گذشته چیزهای زیادی گفته است که هیچ‌کدام به نتیجه نرسیده‌اند». اما نظر فکر می کند که چارچوب زمانی به طور کلی واقع بینانه است. او می‌گوید: «من معتقدم که در سال 2025، احتمالاً شاهد نفوذ برخی از این سلول‌ها به بازار خواهیم بود، به‌ویژه با توجه به اینکه برخی شرکت‌های بلندپرواز چینی در این مورد وجود دارند. این شامل بزرگترین تولید کننده باتری در جهان، فناوری معاصر آمپرکس (CATL) است که دفتر مرکزی آن در نینگده قرار دارد.
در همین حال، بسیاری از محققان راه‌هایی را برای بهبود حالت جامد دنبال می‌کنند. شیمیدان جنیفر روپ در دانشگاه فنی مونیخ در آلمان، شرکتی به نام QKera را نیز در مونیخ تأسیس کرده است که الکترولیت های سرامیکی را در نیمی از دمای معمولی 1000 درجه سانتیگراد تولید می کند.
این هم به محدود کردن انتشار دی اکسید کربن از کوره های مورد استفاده در فرآیند تولید کمک می کند و هم به حل برخی از مشکلات مربوط به اتصال الکترولیت به کاتد کمک می کند. نظر می‌گوید یکی دیگر از زاویه‌های امیدوارکننده، دسته جدیدی از الکترولیت‌های اکسی هالید برای باتری‌های حالت جامد است.
برخی از این‌ها «گوو» و بسیار انعطاف‌پذیر هستند، که باید تولید را آسان‌تر کند و آسیب‌پذیری کمتری در برابر شکستگی داشته باشد و برخی رسانایی بسیار بالایی دارند و به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهند که از طریق یک مایع به جای جامد بزرگ‌نمایی کنند و مزایای مربوط به انرژی را همراهی می‌کنند. کانینگهام می‌گوید شرکت‌های دیگر در حال کار بر روی یک نسخه جامد LiS هستند.
بسیاری می گویند که باتری «گلدان طلا» در انتهای این رنگین کمان حالت جامد، طراحی لیتیوم-هوا خواهد بود. این نوع باتری از یک آند فلزی لیتیوم استفاده می کند و کاتد مبتنی بر اتصال لیتیوم به اکسیژن است که از هوا کشیده می شود و با شارژ مجدد باتری دوباره آزاد می شود. تا حدی به دلیل اینکه یک عنصر کلیدی کاتد در باتری ذخیره نمی شود، این طرح می تواند انرژی بسیار بیشتری را در هر کیلوگرم نگه دارد.
اما این ایده مدتهاست که حدس و گمان به نظر می رسد. نظر می گوید: «بعضی از همکاران من آن را شیمی افسانه می نامند.
لری کورتیس، دانشمند مواد در آزمایشگاه ملی آرگون در لمونت، ایلینویز و همکارانش در سال 2023 با مقاله ای غافلگیرکننده که یک باتری لیتیوم-هوای آزمایشی حالت جامد را نشان می داد که بیش از 1000 چرخه در آزمایشگاه آزمایش شده بود، به سرفصل خبرها رسیدند. این تیم می‌گوید سلول آزمایشی آن به‌اندازه سکه حدوداً 685 وات ساعت کیلوگرم در کیلوگرم کار می‌کند و باید بتواند به 1200 وات ساعت کیلوگرم در کیلوگرم برسد، یعنی چهار برابر آنچه اکنون با لیتیوم یون قابل دستیابی است و تقریباً با چگالی انرژی بنزین در خودروها قابل مقایسه است.
سیستم آزمایشی با استفاده از شیمی جدیدی کار می‌کند که حتی گروهی را که در حال مطالعه آن بودند، شگفت‌زده کرد. پروژه‌های قبلی باتری‌های لیتیوم-هوا، معمولاً با استفاده از الکترولیت‌های مایع، سوپراکسید لیتیوم (LiO2) یا پراکسید لیتیوم (Li2O2) را در کاتد می‌ساختند که یک یا دو الکترون در هر مولکول اکسیژن ذخیره می‌کنند.
سلول جدید در عوض اکسید لیتیوم (Li2O) می سازد که می تواند چهار عدد را در خود جای دهد. این الکترون‌های اضافی به چگالی انرژی بالاتر تبدیل می‌شوند و سیستم بسیار پایدارتر از تلاش‌های قبلی به نظر می‌رسد، که باید به عمر باتری طولانی‌تر منجر شود.
ویلکه می گوید: «این کاری که آنها انجام دادند غیرقابل باور است. او می‌گوید: «آنها می‌توانند از هوای کثیف معمولی با رطوبت و دی اکسید کربن و همه چیزهای دیگری که در هوای فیلتر نشده پیدا می‌کنید استفاده کنند.
ویلکه ادامه می دهد: مشکلی نیست. اما بسیاری می گویند که مایلند قبل از اینکه خیلی هیجان زده شوند، این تلاش تکرار شود. و اگرچه این یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی عالی است، اما مشخص نیست که در عمل چگونه کار می‌کند-برای مثال چگونه می‌توان هوا را به داخل و خارج کرد و آیا می‌توان آن را بزرگ‌تر ساخت و با جریان‌های بالاتر کار کرد. کانینگهام می‌گوید: «این قطعاً افق زمانی بسیار طولانی‌تر از حتی گوگرد لیتیوم است.
کرتیس می گوید که تیم به هوانوردی به عنوان بهترین کاربرد برای این فناوری فکر می کند، با توجه به اینکه انرژی بسیار متراکم است. ویلکه موافق است. ویلک که به ویژه در مورد هواپیماهای برخاست و فرود عمودی الکتریکی که انتظار می‌رود به عنوان تاکسی پرنده استفاده شوند، می‌گوید، چگالی انرژی یک عامل بزرگ و بزرگ در هواپیما است.
اگر این موضوع علمی تخیلی به نظر می رسد، یک تاکسی هوایی برقی مجوز پرواز در چین – حتی بدون خلبان – را در اکتبر 2023 دریافت کرد و چندین شرکت صنایع دستی می سازند که می تواند چند صد کیلومتر را با باتری های لیتیوم یونی طی کند. ویلکه می‌گوید تاکسی‌های هوایی که می‌توانند از ترافیکی که شما را از فرودگاه به هتلتان می‌برد بگذرند، صنعت نوظهوری هستند که در شرف بلند شدن هستند.
کاهش قیمت:
از آنجایی که جستجو برای باتری‌های معجزه‌آسا که انرژی بیشتری دارند، ادامه دارد، برخی از دانشمندان استدلال می‌کنند که مهم‌ترین نگرانی، نیاز به انتخاب یک باتری شیمیایی است که در دراز مدت ارزان و پایدار باشد.
سدر می‌گوید: «بزرگترین چالش‌ها مربوط به منابع است. آن خیلی زیاد است؛ برای مقایسه، استخراج جهانی لیتیوم امروزی حدود 130000 تن در سال است، در حالی که کبالت نزدیک به 200000 تن و نیکل 3.3 میلیون تن است – که برای همه مقاصد، از جمله باتری های غیر برقی و برای نیکل، فولاد ضد زنگ. مقدار مورد نیاز، انتخاب فلزاتی را که کمیاب یا گران نیستند و در هنگام استخراج آسیب زیادی به محیط زیست وارد نمی‌کنند، مهم می‌سازد.
در پایان، کارشناسان می گویند که ما احتمالاً طیف وسیعی از باتری ها را برای خودروهای آینده خود خواهیم دید – تقریباً به همان روشی که امروزه موتورهای 2، 4 و 6 سیلندر داریم. به عنوان مثال، ممکن است باتری های سدیم یا LFP را برای اتومبیل های با برد پایین تر، لیفتراک ها یا وسایل نقلیه تخصصی ببینیم.
سپس ممکن است باتری‌های لیتیوم یونی بهبودیافته، شاید با استفاده از آندهای سیلیکونی یا کاتدهای سنگ نمک، برای خودروهای میان‌رده، یا شاید باتری‌های لیتیومی حالت جامد این کلاس را در اختیار بگیرند. سپس ممکن است سلول‌های LiS یا حتی سلول‌های هوای لیتیومی برای خودروهای سطح بالا – یا تاکسی‌های پرنده وجود داشته باشد.
اما هنوز کارهای زیادی برای انجام دادن وجود دارد. کانینگهام می گوید: «همه مواد شیمیایی مختلفی که امروزه تجاری نمی شوند، مزایا و معایب خود را دارند. “وظیفه ما حذف تمام این معایب است.”
امیدواریم مقاله انقلاب وسایل نقلیه الکتریکی با نسل جدید باتری ها برای شما مفید بوده باشد. ما بی صبرانه منتظر خواندن نظرات سبزتان هستیم.
The new car batteries that could power the electric vehicle revolution
نوشتار وابسته:
منابع: nature.com
خبرنگار: Nicola Jones
تدوین و ترجمه: تیم زاورمگ
آخرین بروزرسانی مقاله: ژانویه 2024
بدون دیدگاه