باتری حالت جامد چیست و چرا برای صنعت خودروهای برقی اهمیت دارد

دنیای پیشرانه‌های احتراق داخلی متأسفانه اما لزوماً، در بعضی از دوره‌های زندگی ما در برهه‌ای به پایان می‌رسد. خودروهای الکتریکی و هیبریدی با سرعت بسیار زیادی به‌صرفه‌تر و پیشرفته‌تر می‌شوند و این بدان معنی است که باتری‌ها جای سوخت‌های فسیلی را می‌گیرند. این امر به همان اندازه منجر به پیشرفت سریع فناوری باتری، با اهداف اصلی بهبود ظرفیت، زمان شارژ و ایمنی شده است. به گزارش اتوویک، یکی از پیشرفت‌های عمده در این زمینه، ظهور باتری‌های حالت جامد است که از بین‌ رفتن محدودیت‌های باتری‌های لیتیوم یون فعلی را نوید می‌دهد.

باتری‌ لیتیوم یون چیست

سال‌ها است خودروهای الکتریکی توسط باتری‌های لیتیوم یون تغذیه می‌شوند که مشابه باتری‌هایی است که در لپ‌تاپ‌، تلفن‌ همراه و سایر وسایل الکترونیکی مصرفی استفاده می‌شود. باتری‌های لیتیوم یون با الکترولیت مایع در داخل ساختار خود ساخته شده‌اند که آن‌ها را سنگین و مستعد ابتلا به بی‌ثباتی در دمای بالا می‌کند. از آنجا که هر بسته باتری جداگانه نمی‌تواند مقدار انرژی زیاد مورد نیاز خودروی الکتریکی را به‌تنهایی تولید کند، باید چند باتری را به‌صورت سری وصل کرد و این باعث اضافه شدن به وزن کلی خودرو می‌شود. هزینه مهندسی، ساخت و نصب بسته‌های باتری قسمت درخور توجهی از هزینه کلی خودروهای الکتریکی را تشکیل می‌دهد.

مانند تلفن همراه، باتری‌های لیتیوم یون در خودروهای برقی باید دوباره شارژ شوند. سرعت شارژ باتری‌های خودروی الکتریکی به وسیله نقلیه، نوع باتری‌های استفاده‌شده و زیرساخت شارژ بستگی دارد. به‌طور کلی، ایستگاه‌‌های شارژ عمومی در دو دسته سطح ۲ یا سطح ۳ قرار می‌گیرند که هر دو نوع می‌توانند یک خودروی برقی را بسیار سریع‌تر از خروجی خانگی استاندارد شارژ کنند. شارژرهای سطح ۱ و سطح ۲ از طریق جریان متناوب، برق شارژر داخلی را تأمین می‌کنند که برای شارژ باتری به برق DC تبدیل می‌شود. شارژر سطح ۳ که می‌توان آن را شارژر سریع مستقیم (DC Fast Charging) نیز نامید، ژنراتور داخلی را از مسیر حذف کرده و در عوض باتری را مستقیماً و با سرعت بسیار سریع‌تری شارژ می‌‌کند. با گذشت زمان، ظرفیت باتری و توانایی رسیدن به حداکثر نرخ شارژ کاهش می‌یابد.

تفاوت باتری‌ حالت جامد با باتری لیتیوم یون 

باتری‌ حالت جامد همان‌طور که از نامش پیدا است، الکترولیت مایع سنگین موجود در باتری‌های لیتیوم یون را حذف می‌کند. جایگزین آن الکترولیت جامدی است که می‌‌تواند به شکل شیشه، سرامیک یا مواد دیگر باشد. ساختار کلی باتری حالت جامد کاملاً مشابه ساختار باتری‌های لیتیوم یون است، با این تفاوت که نیازی به الکترولیت مایع ندارند و چنین باتری‌هایی می‌توانند بسیار متراکم و جمع‌وجور باشند. باتری‌های حالت جامد بدون غوطه‌وری عمیق در کارهای داخلی خود، انرژی‌شان را صرف می‌کنند و دقیقا شبیه باتری‌های لیتیوم یون سنتی دوباره شارژ می‌شوند.

باتری‌های حالت جامد در دستگاه‌های کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

باتری‌های حالت جامد جدید نیستند؛ اما استفاده از آن‌ها در چنین برنامه‌های سنگینی مانند خودرو بسیار جدید است. آن‌ها سال‌های زیادی است که در دستگاه‌های کوچکی مانند ضربان‌ساز قلب، دستگاه‌های پوشیدنی و RFID مورد استفاده قرار می‌گیرند. حداقل انتظارات مربوط به توانایی باتری‌های حالت جامد در بهبود چشم‌گیر خودروهای الکتریکی زیاد است. استفاده از الکترولیت جامد به دلیل معایب کمتری که نسبت به مایعات سنتی دارد، باید باعث صرفه‌جویی در فضا شود. در همان فضایی که یک باتری لیتیوم یون در زیر وسیله نقلیه نیاز دارد، بین ۲ تا ۱۰ باتری حالت جامد می‌تواند قرار بگیرد. ساختمان آن‌ها به گونه‌ای است که به سیستم‌های نظارت، کنترل و خنک‌کننده‌ای که باتری‌های لیتیوم یون برای عملکرد مناسب نیاز دارند، احتیاج پیدا نمی‌کنند. این بدان معنی است که فضای بیشتری در شاسی خودرو برای قرار دادن باتری با حجم کمتر وجود دارد و می‌توان آن فضای اضافی را به مسافران یا قطعات مکانیکی اختصاص داد.

چگالی انرژی بسیار بهبودیافته و کاهش وزن ناشی از حذف الکترولیت مایع باتری باید شعاع حرکتی خودروهای الکتریکی را تا درجه بالایی بهبود بخشد. حداقل از جنبه تئوری، باتری‌های حالت جامد باید سریع‌تر شارژ شوند.

الکترولیت‌های مایع می‌توانند مشکلاتی ایجاد کنند

باتری‌های حالت جامد در طولانی‌مدت، ایمن‌تر و با دوام‌‌تر هستند.

باتری‌های حالت جامد در طولانی‌مدت، ایمن‌تر و بادوام‌تر هستند. باتری‌های لیتیوم یون در صورت خراب شدن می‌توانند پدیدهای که با عنوان فرار حرارتی شناخته می‌شود، تجربه کنند؛ این امر هنگامی اتفاق می‌افتد که افزایش دما در یک سلول باتری باعث واکنش مشابهی در سایر سلول‌های باتری شود. گاهی اوقات، این فرایند خود را در بسته باتری متوقف می‌‌کند؛ اما در بعضی مواقع واکنش فرار می‌تواند باعث آتش‌‌سوزی و گسترش آن به سایر قسمت‌های خودرو شود. الکترولیت مایع می‌تواند قابل اشتعال باشد و آتش‌سوزی باتری را به‌شدت خطرناک و سمی می‌کند. فرایند خاموش شدن آتش باتری زمان می‌برد و گاهی اوقات هزاران گالن آب نیاز دارد. باتری‌های حالت جامد قادر به جلوگیری از این مسئله بدون وجود مایعات قابل اشتعال در داخل خود هستند.

فراتر از پتانسیل نادر برای ایجاد آتش‌‌سوزی، الکترولیت‌های مایع درون باتری‌های لیتیوم یون در طول عمر خود خیلی عالی نیستند. با گذشت زمان، ترکیبات موجود در مایع می‌توانند اجزای داخلی باتری را خورده و باعث تخریب یا تجمع مواد جامد در داخل شوند که هر دو منجر به تخریب ظرفیت باتری و کاهش عملکرد کلی آن می‌شود.

چرا در خودروها زیاد باتری‌های حالت جامد استفاده نمی‌شود

چرا همه ما با خودروهای مجهز به باتری‌‌های حالت جامد رانندگی نمی‌‌کنیم؟ درست مانند سایر فناوری‌های نوظهور، باتری‌های حالت جامد گران هستند که بخشی از آن به دلیل هزینه‌های توسعه است؛ اما به‌شدت به این واقعیت مربوط می‌شود که ساخت آن‌ها در مقیاس وسیع، دشوار است. پیش از آماده شدن باتری‌های حالت جامد برای عرضه در محصولات، خودروسازان و تولیدکنندگان باتری کار بیشتری دارند. الکترولیت‌های جامد با وجود مزایایی که نسبت به الکترولیت‌های مایع دارند، در یافتن تعادل مناسب مواد برای رساندن قدرت کافی جهت تأمین انرژی موتور الکتریکی خودرو مشکلاتی دارند.

تویوتا اولین خودروی الکتریکی مجهز به باتری حالت جامد را تا سال ۲۰۳۰ عرضه خواهد کرد.

باتری‌های حالت جامد هنوز در دست ساخت هستند. تویوتا قصد دارد اولین خودروی برقی خود را که از باتری حالت جامد بهره می‌برد تا قبل از سال ۲۰۳۰ به بازار عرضه کند؛ درحالی‌که چند خودروساز دیگر با سازندگان باتری در پروژه‌های خود همکاری می‌کنند. قابل ذکر است که فولکس‌واگن با شرکت کوانتوم‌اسپیس (QuantumScape) مستقر در کالیفرنیا که امیدوار است باتری‌های خود را تا سال ۲۰۲۴ به سمت استفاده تجاری سوق بدهد، همکاری دارد.

چرا باتری‌های حالت جامد برای خودرو اهمیت دارند

ممکن است اخیراً در روزنامه‌ها و نشریات اخباری درباره‌ی فناوری‌های انقلابی باتری خودروهای الکتریکی مشاهده کرده باشید. نگرانی درباره‌ی شعاع حرکتی خودروی برقی به مرور زمان از بین می‌رود و این خودروها در عرض چند دقیقه شارژ می‌شوند. آیا این ادعاها روزی به واقعیت می‌پیوندند؟ به نظر می‌رسد گزینه‌های جایگزین برای رسیدن به این اهداف به‌خوبی شناخته شده‌اند و چند شركت می‌گویند كه آن‌ها به پیشرفت در این زمینه نزدیک هستند.

به گزارش اتوکار، دو تغییر یا عامل اساسی وجود دارد که اگر اجرایی شود، می‌تواند ظرفیت و سرعت شارژ باتری‌های لیتیوم را بهبود بخشد. یکی تغییر در ماده‌ای که برای الکترود منفی باتری یا آند استفاده می‌شود و دیگری تغییر رادیکال‌تر به سمت فناوری حالت جامد است.

آندها بیشتر از کربن به شکل گرافیت ساخته می‌شوند و جایی هستند که یون‌های لیتیوم در هنگام شارژ کامل باتری ذخیره می‌شوند. این ماده ایده‌آل نیست، زیرا سایر مواد انرژی بیشتری نسبت به گرافیت ذخیره می‌‌کنند اما استفاده از آن‌ها تاکنون از نظر فنی غیرممکن است. تعویض جنس آند به گزینه دیگری مانند ماده‌ای مبتنی بر سیلیکون می‌تواند سرعت شارژ و ظرفیت باتری را افزایش بدهد و این بدان معنی است که قالب موجود باتری لیتیوم یون می‌تواند به‌طور چشمگیری بهبود یابد؛ البته اگر توسعه‌دهندگان باتری بتوانند راهی برای تولید آن در مقیاس انبوه پیدا کنند.

رویکرد دیگر، حرکت به سمت طراحی جدید باتری لیتیوم یون حالت جامد است. در این حالت، الکترولیت مایع قابل اشتعال با الکترولیت جامد نازکی جایگزین می‌شود که فضای کمتری اشغال می‌کند و غیر قابل اشتعال است. این همچنین بدان معنی است که آند گرافیتی می‌تواند به‌طور بالقوه با آند لیتیوم فلزی جایگزین شود که ظرفیت باتری را افزایش می‌دهد و روند شارژ را تسریع می‌کند.

از آندهای فلزی لیتیوم نمی‌توان برای قالب موجود باتری‌ها استفاده کرد؛ زیرا آن‌ها دندریت‌های شاخک‌مانند (شاخه‌های شبیه سلول‌های عصبی) رشد می‌دهند که از طریق الکترولیت مایع به کاتد گسترش می‌یابد و باعث اتصال کوتاه و آتش‌سوزی می‌شود. در یک باتری حالت جامد، الکترولیت جامد مانع این کار خواهد شد و در نتیجه آتش‌سوزی رخ نمی‌دهد.

هر دو روش می‌تواند قوانین بازی را تغییر بدهد، با این شرط که باتری‌های حالت جامد باید سبک‌تر و ایمن‌تر از قالب موجود باشند. توسعه‌دهندگان فناوری باتری حداقل یک دهه است که از این نوع باتری‌ها استفاده می‌کنند و تویوتا و فولکس‌‌واگن اخیراً گفته‌‌اند که به تولید باتری‌های حالت جامد مناسب نزدیک هستند؛ بنابراین این احتمال وجود دارد که نه‌فقط یک یا دو شرکت، بلکه بسیاری از شرکت‌های دیگر هم نزدیک به دستیابی به موفقیت باشند. فقط امیدواریم تا آن زمان، زیرساخت شارژ بتواند با فناوری باتری حالت جامد همگام شود.