ساختار و عملکرد باطری در خودروهای الکتریکی

فناوری باطری خودروهای الکتریکی

اما آیا در حال حاضر چیزی مانع این صنعت می شود؟ باطری‌ ‌ماشین الکتریکی در حال حاضر چگونه به نظر می‌رسند و در آینده چگونه خواهند بود؟

گفته می‌شود، عمر باطری یکی از عواملی است که از افزایش فروش سرسام آور خودروهای برقی جلوگیری می‌کند. بسیاری از خریداران بالقوه با توجه به برد کم باطری‌های خودروهای الکتریکی امروزی ناراضی هستند.

اما بسیاری از تولیدکنندگان، اکنون ضمانت باطری ماشین الکتریکی تا هشت سال یا ۱۶۰۰۰۰ کیلومتر را ارائه می‌دهند. برخلاف تصور عمومی، باطری خودروهای برقی که چند سال از عمر آن می گذرد تقریباً همان بردی را دارد که یک باطری نو می‌تواند ارائه دهد.

با وجود افزایش طول عمر، فناوری همچنان مانع شماره یک برای پذیرش گسترده خودروهای الکتریکی است. چالش‌های متعددی وجود دارد: محدوده، هزینه، وزن، زمان شارژ و زیرساخت شارژ از جمله چالش‌های متعددی است که در تولید باطری‌ها وجود دارد.

باطری‌های لیتیوم یون

احتمالاً اصطلاح لیتیوم یون را می‌شناسید زیرا اکثر تلفن‌های هوشمند مدرن از این نوع باطری استفاده می‌کنند. لیتیوم یون نیز رایج‌ترین نوع باطری خودروهای الکتریکی است. دلیل آن این است که نسبت به وزن پایین، قدرت بالایی دارند.

این موضوع باعث کاهش وزن خودروهای الکتریکی می شود و به آن‌ها اجازه طی کردن مسافت بیشتری را می‌دهد. همچنین باطری‌های لیتیوم یونی نیز نسبت به سایر باطری‌ها در حفظ شارژ کامل در طول زمان، بهتر هستند.

همه باطری‌های لیتیوم یون یکسان عمل می‌کنند: انرژی تخلیه و شارژ می‌شود. زیرا الکترولیت یون‌های لیتیوم بار مثبت را بین آند و کاتد هدایت می‌کند. آنچه متفاوت است مواد و مواد شیمیایی آن‌هاست. سه فرمول اصلی کاتد امروزه عبارتند از نیکل، منگنز و کبالت (NMC)؛ نیکل، کبالت و آلومینیوم (NCA) و لیتیوم فسفات (LFP).

کاتد در باطری می‌توانند چگالی سلولی باطری و در نتیجه عملکرد آن را بهبود داده و یا کاهش دهد. به عنوان مثال، باطری‌های ماشین‌های الکتریکی ساخته شده با نیکل و کبالت، چگالی انرژی بالاتری دارند که قدرت بیشتر و برد بیشتری را ارائه می‌دهد.

اما آ‌ن‌ها طول عمر کمتری دارند؛ ظرفیت آن‌ها برای نگه داشتن شارژ کامل و سریع کاهش می‌یابد. باطری‌های NMC/NCA نیز پایداری کمتری دارند. بنابراین مشکلات ایمنی وجود دارد. به عنوان مثال، آن‌ها باید به عنوان مواد خطرناک حمل شوند. باطری‌های LFP چگالی انرژی کمتری دارند که توان و برد کمتری را ارائه می‌دهد. با این حال، این نوع باطری‌ها طول عمر بیشتری دارند و نسبت به باطری‌های NMC و NCA ایمن‌تر و ارزان‌تر هستند.

در سال‌های اخیر، چگالی انرژی باطری‌های LFP به طور قابل توجهی بهبود یافته است. این امر باعث می‌شود خودروسازان از قبیل تسلا، به فکر استفاده از LFP برای خودروهای برد کوتاه‌تر خود باشند تا قیمت را کاهش دهند و آن‌ها را برای خریداران جذاب‌تر کنند. سایر سازندگان خودروهای الکتریکی نیز برنامه‌های مشابهی را اعلام کرده‌اند.مطمئناً این موضوع، پیامدهایی در زنجیره‌های تأمین بین‌المللی خواهد داشت.

فناوری های جدید باطری خودروهای الکتریکی

به جرأت می‌توان گفت که زمان هیجان انگیزی برای تحقیق و توسعه باطری است. یکی از چالش‌هایی که صنعت باطری با آن مواجه است، نبود مواد ارزان‌تر، پایدارتر و در دسترس‌تر است. به عنوان مثال، کبالت یک منبع گران قیمت و محدود است. بنابراین دانشمندان در سراسر جهان در حال آزمایش با کاتدهای کم کبالت یا بدون کبالت هستند.

به عنوان مثال، در سلول‌های LFP، پوشش روی مواد کاتد از فسفات آهن ساخته شده است، که می‌تواند همان کار منگنز/کبالت را انجام دهد، اما هنوز به طور کامل به کیفیت لازم نرسیده است. این نوع باطری انرژی زیادی را ذخیره نمی‌کند و انرژی زیادی را هم ارائه نمی‌دهد.

اما همه افراد، ماشینی را نمی‌خواهند که صفر تا شصت را در دو ثانیه طی کند. این بدان معناست که همه به خودروهای الکتریکی با باطری‌های درجه یک نیاز ندارند. اکثر مردم مقرون به‌صرفه‌ترین راه حل را برای انجام آنچه می‌خواهند، خریداری می‌کنند.

در حال حاضر، فسفات آهن لیتیوم می‌تواند حدود 150 مایل برد واقعی را ارائه دهد. مدل 3 SR تسلا با باطری‌های LFP در آزمایش‌های واقعی به مسافت 391 کیلومتر دست یافته است که برای بسیاری از افراد مسافت بسیار زیادی است.

دانشمندان و استارت‌آپ‌های زیادی هستند که به دنبال پیشرفت در بعد شیمی هستند تا بتوانند باطری‌هایی تولید کنند که تمام قابلیت‌ها را در یکجا پوشش دهد. قابل ذکر است دانشمندان یون سدیم را به‌عنوان یک راه حل بالقوه نسل بعدی درنظر دارند. این فرمول چگالی انرژی بالایی را ارائه نمی‌دهد، اما کاربردهای بالقوه زیادی مانند استفاده در دوچرخه‌های الکترونیکی، اسکوترها و ماشین‌ برقی شهری وجود دارد.

باطری های حالت جامد

یکی از فناوری‌هایی که توجه زیادی را به خود جلب کرده باطری حالت جامد است. باطری‌های حالت جامد حداقل دو برابر باطری‌های لیتیوم یون امروزی چگالی انرژی دارند. آنها وعده شارژ سریع و قدرت کافی برای عملکرد بهتر از خودروهای موتور احتراق در خیابان های شهر و بزرگراه‌ها را می‌دهند. و بدون الکترولیت مایع قابل اشتعال، ایمن و کارآمد هستند. این‌ها نکات کلیدی فروش خودروهای الکتریکی هستند.

بزرگترین مانع در حال حاضر هزینه تولید و مقیاس پذیری است. اگر صنعت بتواند بر این چالش‌ها غلبه کند، استفاده از باطری‌های حالت جامد در خودروهای الکتریکی می‌تواند تقاضا را افزایش دهد، زیرا خریدارانی که به دنبال قدرت و سرعت هستند، خودروهای برقی را به‌عنوان یک گزینه مناسب می‌بینند.

شارژ باطری

زمان شارژ، به ویژه برای کاربران تجاری خودروهای الکتریکی، یک مسئله بزرگ است. به عنوان مثال، در بسیاری از عملیات تحویل آخرین مایل خود، از ون های تحویل الکتریکی استفاده شده است که با یک بار شارژ، بردی در حدود ۱۴۰ کیلومتر دارند. این میزان از شارژ برای این هدف کافی به‌نظر می‌رسد. اما در حمل و نقل سنگین متفاوت است و باید بتوان توان بیشتری ارائه داد. با پیشرفت فناوری تولید باطری‌ها طولی نمی‌کشد که ناوگانی از دکل‌هایی بدون سوخت فسیل، مسیرهای طولانی را در شبکه جاده‌ای طی کنند.

با اینکه صنعت باطری پیشرفت‌های زیادی در ارائه برد بالاتر، هزینه باطری و وزن داشته است، اما نوآوری‌هایی که زمان شارژ را کاهش می‌دهند، به نظر می‌رسد تا به حال عقب مانده‌اند. البته ممکن است شارژ کامل باطری خودروهای الکتریکی در چند دقیقه، به‌زودی به واقعیت تبدیل شود.

استوردات، در حال توسعه فناوری جدیدی است که می‌تواند شارژ باطری را متحول کند. آن‌ها از فناوری باطری لیتیوم یون موجود استفاده می‌کنند و اجزای گرافیت را با سیلیکون ارتقا می‌دهند. نتیجه شارژ بسیار سریع است، ۴۸۲.۷ کیلومتر فقط در پنج دقیقه. وقتی صحبت از تأمین برد مسافت به میان می‌آید، بسیاری از تولیدکنندگان باطری می‌گویند که می‌توانند باطری‌هایی بسازند که تا ۱۵۰۰ کیلومتر مسافت را تأمین کنند. باطری های حالت جامد و آلی می‌توانند ۲۷۰۰ کیلومتر را ارائه دهند. این مسافت بسیار بیشتر از هر وسیله نقلیه موتور احتراق است.