فناوري باتري حالت جامد به‌عنوان جايگزيني براي باتري ليتيوم يون الكتروليت مايع معرفي شده‌اند و مي‌توانند ضمن افزايش شعاع حركتي خودروي الكتريكي، ايمني خودرو را افزايش بدهند.
نويسنده: ابوالقاسم اسلامي
يكشنبه, ۹ خرداد ۱۴۰۰ ساعت ۱۰:۰۰
فناوري باتري حالت جامد به‌عنوان جايگزيني براي باتري ليتيوم يون الكتروليت مايع معرفي شده‌اند و مي‌توانند ضمن افزايش شعاع حركتي خودروي الكتريكي، ايمني خودرو را افزايش بدهند.
دنياي پيشرانه‌هاي احتراق داخلي متأسفانه اما لزوماً، در بعضي از دوره‌هاي زندگي ما در برهه‌اي به پايان مي‌رسد. خودروهاي الكتريكي و هيبريدي با سرعت بسيار زيادي به‌صرفه‌تر و پيشرفته‌تر مي‌شوند و اين بدان معني است كه باتري‌ها جاي سوخت‌هاي فسيلي را مي‌گيرند. اين امر به همان اندازه منجر به پيشرفت سريع فناوري باتري، با اهداف اصلي بهبود ظرفيت، زمان شارژ و ايمني شده است. به گزارش اتوويك، يكي از پيشرفت‌هاي عمده در اين زمينه، ظهور باتريهاي حالت جامد است كه از بين رفتن محدوديت‌هاي باتريهاي ليتيوم يون فعلي را نويد مي‌دهد.
سال‌ها است خودروهاي الكتريكي توسط باتريهاي ليتيوم يون تغذيه مي‌شوند كه مشابه باتري‌هايي است كه در لپ‌تاپ، تلفن همراه و ساير وسايل الكترونيكي مصرفي استفاده مي‌شود. باتريهاي ليتيوم يون با الكتروليت مايع در داخل ساختار خود ساخته شده‌اند كه آن‌ها را سنگين و مستعد ابتلا به بي‌ثباتي در دماي بالا ميكند. از آنجا كه هر بسته باتري جداگانه نمي‌تواند مقدار انرژي زياد مورد نياز خودروي الكتريكي را به‌تنهايي توليد كند، بايد چند باتري را به‌صورت سري وصل كرد و اين باعث اضافه شدن به وزن كلي خودرو مي‌شود. هزينه مهندسي، ساخت و نصب بسته‌هاي باتري قسمت درخور توجهي از هزينه كلي خودروهاي الكتريكي را تشكيل مي‌دهد.
مانند تلفن همراه، باتريهاي ليتيوم يون در خودروهاي برقي بايد دوباره شارژ شوند. سرعت شارژ باتريهاي خودروي الكتريكي به وسيله نقليه، نوع باتريهاي استفاده‌شده و زيرساخت شارژ بستگي دارد. به‌طور كلي، ايستگاه‌‌هاي شارژ عمومي در دو دسته سطح ۲ يا سطح ۳ قرار مي‌گيرند كه هر دو نوع مي‌توانند يك خودروي برقي را بسيار سريع‌تر از خروجي خانگي استاندارد شارژ كنند. شارژرهاي سطح ۱ و سطح ۲ از طريق جريان متناوب، برق شارژر داخلي را تأمين ميكنند كه براي شارژ باتري به برق DC تبديل مي‌شود. شارژر سطح ۳ كه مي‌توان آن را شارژر سريع مستقيم (DC Fast Charging) نيز ناميد، ژنراتور داخلي را از مسير حذف كرده و در عوض باتري را مستقيماً و با سرعت بسيار سريع‌تري شارژ ميكند. با گذشت زمان، ظرفيت باتري و توانايي رسيدن به حداكثر نرخ شارژ كاهش مي‌يابد.
باتري حالت جامد همان‌طور كه از نامش پيدا است، الكتروليت مايع سنگين موجود در باتريهاي ليتيوم يون را حذف ميكند. جايگزين آن الكتروليت جامدي است كه ميتواند به شكل شيشه، سراميك يا مواد ديگر باشد. ساختار كلي باتري حالت جامد كاملاً مشابه ساختار باتريهاي ليتيوم يون است، با اين تفاوت كه نيازي به الكتروليت مايع ندارند و چنين باتري‌هايي مي‌توانند بسيار متراكم و جمع‌وجور باشند. باتريهاي حالت جامد بدون غوطه‌وري عميق در كارهاي داخلي خود، انرژي‌شان را صرف ميكنند و دقيقا شبيه باتريهاي ليتيوم يون سنتي دوباره شارژ مي‌شوند.
باتريهاي حالت جامد جديد نيستند؛ اما استفاده از آن‌ها در چنين برنامه‌هاي سنگيني مانند خودرو بسيار جديد است. آن‌ها سال‌هاي زيادي است كه در دستگاه‌هاي كوچكي مانند ضربان‌ساز قلب، دستگاه‌هاي پوشيدني و RFID مورد استفاده قرار مي‌گيرند. حداقل انتظارات مربوط به توانايي باتريهاي حالت جامد در بهبود چشم‌گير خودروهاي الكتريكي زياد است. استفاده از الكتروليت جامد به دليل معايب كمتري كه نسبت به مايعات سنتي دارد، بايد باعث صرفه‌جويي در فضا شود. در همان فضايي كه يك باتري ليتيوم يون در زير وسيله نقليه نياز دارد، بين ۲ تا ۱۰ باتري حالت جامد ميتواند قرار بگيرد. ساختمان آن‌ها به گونه‌اي است كه به سيستم‌هاي نظارت، كنترل و خنك‌كننده‌اي كه باتريهاي ليتيوم يون براي عملكرد مناسب نياز دارند، احتياج پيدا نمي‌كنند. اين بدان معني است كه فضاي بيشتري در شاسي خودرو براي قرار دادن باتري با حجم كمتر وجود دارد و مي‌توان آن فضاي اضافي را به مسافران يا قطعات مكانيكي اختصاص داد.
چگالي انرژي بسيار بهبوديافته و كاهش وزن ناشي از حذف الكتروليت مايع باتري بايد شعاع حركتي خودروهاي الكتريكي را تا درجه بالايي بهبود بخشد. حداقل از جنبه تئوري، باتريهاي حالت جامد بايد سريع‌تر شارژ شوند.
باتريهاي حالت جامد در طولاني‌مدت، ايمن‌تر و بادوام‌تر هستند. باتريهاي ليتيوم يون در صورت خراب شدن مي‌توانند پديدهاي كه با عنوان فرار حرارتي شناخته مي‌شود، تجربه كنند؛ اين امر هنگامي اتفاق مي‌افتد كه افزايش دما در يك سلول باتري باعث واكنش مشابهي در ساير سلول‌هاي باتري شود. گاهي اوقات، اين فرايند خود را در بسته باتري متوقف ميكند؛ اما در بعضي مواقع واكنش فرار ميتواند باعث آتشسوزي و گسترش آن به ساير قسمت‌هاي خودرو شود. الكتروليت مايع ميتواند قابل اشتعال باشد و آتشسوزي باتري را به‌شدت خطرناك و سمي ميكند. فرايند خاموش شدن آتش باتري زمان مي‌برد و گاهي اوقات هزاران گالن آب نياز دارد. باتريهاي حالت جامد قادر به جلوگيري از اين مسئله بدون وجود مايعات قابل اشتعال در داخل خود هستند.
فراتر از پتانسيل نادر براي ايجاد آتشسوزي، الكتروليت‌هاي مايع درون باتريهاي ليتيوم يون در طول عمر خود خيلي عالي نيستند. با گذشت زمان، تركيبات موجود در مايع مي‌توانند اجزاي داخلي باتري را خورده و باعث تخريب يا تجمع مواد جامد در داخل شوند كه هر دو منجر به تخريب ظرفيت باتري و كاهش عملكرد كلي آن مي‌شود.
چرا همه ما با خودروهاي مجهز به باتريهاي حالت جامد رانندگي نمي‌‌كنيم؟ درست مانند ساير فناوري‌هاي نوظهور، باتريهاي حالت جامد گران هستند كه بخشي از آن به دليل هزينه‌هاي توسعه است؛ اما به‌شدت به اين واقعيت مربوط مي‌شود كه ساخت آن‌ها در مقياس وسيع، دشوار است. پيش از آماده شدن باتريهاي حالت جامد براي عرضه در محصولات، خودروسازان و توليدكنندگان باتري كار بيشتري دارند. الكتروليت‌هاي جامد با وجود مزايايي كه نسبت به الكتروليت‌هاي مايع دارند، در يافتن تعادل مناسب مواد براي رساندن قدرت كافي جهت تأمين انرژي موتور الكتريكي خودرو مشكلاتي دارند.
باتريهاي حالت جامد هنوز در دست ساخت هستند. تويوتا قصد دارد اولين خودروي برقي خود را كه از باتري حالت جامد بهره مي‌برد تا قبل از سال ۲۰۳۰ به بازار عرضه كند؛ درحالي‌كه چند خودروساز ديگر با سازندگان باتري در پروژه‌هاي خود همكاري ميكنند. قابل ذكر است كه فولكسواگن با شركت كوانتوم‌اسپيس (QuantumScape) مستقر در كاليفرنيا كه اميدوار است باتريهاي خود را تا سال ۲۰۲۴ به سمت استفاده تجاري سوق بدهد، همكاري دارد.
ممكن است اخيراً در روزنامه‌ها و نشريات اخباري درباره‌ي فناوري‌هاي انقلابي باتري خودروهاي الكتريكي مشاهده كرده باشيد. نگراني درباره‌ي شعاع حركتي خودروي برقي به مرور زمان از بين مي‌رود و اين خودروها در عرض چند دقيقه شارژ مي‌شوند. آيا اين ادعاها روزي به واقعيت مي‌پيوندند؟ به نظر مي‌رسد گزينه‌هاي جايگزين براي رسيدن به اين اهداف به‌خوبي شناخته شده‌اند و چند شركت مي‌گويند كه آن‌ها به پيشرفت در اين زمينه نزديك هستند.
به گزارش اتوكار، دو تغيير يا عامل اساسي وجود دارد كه اگر اجرايي شود، ميتواند ظرفيت و سرعت شارژ باتريهاي ليتيوم را بهبود بخشد. يكي تغيير در ماده‌اي كه براي الكترود منفي باتري يا آند استفاده مي‌شود و ديگري تغيير راديكال‌تر به سمت فناوري حالت جامد است.
آندها بيشتر از كربن به شكل گرافيت ساخته مي‌شوند و جايي هستند كه يون‌هاي ليتيوم در هنگام شارژ كامل باتري ذخيره مي‌شوند. اين ماده ايده‌آل نيست، زيرا ساير مواد انرژي بيشتري نسبت به گرافيت ذخيره ميكنند اما استفاده از آن‌ها تاكنون از نظر فني غيرممكن است. تعويض جنس آند به گزينه ديگري مانند ماده‌اي مبتني بر سيليكون ميتواند سرعت شارژ و ظرفيت باتري را افزايش بدهد و اين بدان معني است كه قالب موجود باتري ليتيوم يون ميتواند به‌طور چشمگيري بهبود يابد؛ البته اگر توسعه‌دهندگان باتري بتوانند راهي براي توليد آن در مقياس انبوه پيدا كنند.
رويكرد ديگر، حركت به سمت طراحي جديد باتري ليتيوم يون حالت جامد است. در اين حالت، الكتروليت مايع قابل اشتعال با الكتروليت جامد نازكي جايگزين مي‌شود كه فضاي كمتري اشغال ميكند و غير قابل اشتعال است. اين همچنين بدان معني است كه آند گرافيتي ميتواند به‌طور بالقوه با آند ليتيوم فلزي جايگزين شود كه ظرفيت باتري را افزايش مي‌دهد و روند شارژ را تسريع ميكند.
از آندهاي فلزي ليتيوم نمي‌توان براي قالب موجود باتري‌ها استفاده كرد؛ زيرا آن‌ها دندريت‌هاي شاخك‌مانند (شاخه‌هاي شبيه سلول‌هاي عصبي) رشد مي‌دهند كه از طريق الكتروليت مايع به كاتد گسترش مي‌يابد و باعث اتصال كوتاه و آتشسوزي مي‌شود. در يك باتري حالت جامد، الكتروليت جامد مانع اين كار خواهد شد و در نتيجه آتشسوزي رخ نمي‌دهد.
هر دو روش ميتواند قوانين بازي را تغيير بدهد، با اين شرط كه باتريهاي حالت جامد بايد سبك‌تر و ايمن‌تر از قالب موجود باشند. توسعه‌دهندگان فناوري باتري حداقل يك دهه است كه از اين نوع باتري‌ها استفاده ميكنند و تويوتا و فولكسواگن اخيراً گفته‌‌اند كه به توليد باتريهاي حالت جامد مناسب نزديك هستند؛ بنابراين اين احتمال وجود دارد كه نه‌فقط يك يا دو شركت، بلكه بسياري از شركت‌هاي ديگر هم نزديك به دستيابي به موفقيت باشند. فقط اميدواريم تا آن زمان، زيرساخت شارژ بتواند با فناوري باتري حالت جامد همگام شود.