جهش برق خودرو: بازنگری باتری

فراتر از لیتیوم یون: نسل بعدی

خودروهای برقی امروزی عمدتاً به باتری‌های لیتیوم یونی متکی هستند، همان باتری‌هایی که در انقلاب الکترونیک همراه، نقش اساسی داشتند. در حالی که این باتری‌ها به خوبی ایفای نقش کرده‌اند و خودروهای برقی را به جریان اصلی بازار تبدیل کرده‌اند، محدودیت‌های آن‌ها به طور فزاینده‌ای آشکار می‌شود. رانندگان خواهان بُرد بیشتر، زمان شارژ کوتاه‌تر و کاهش وابستگی به موادی هستند که نگرانی‌های اخلاقی و زیست‌محیطی ایجاد می‌کنند. تلاش برای یافتن چیزی بهتر، موجی از نوآوری را به راه انداخته است.

یکی از امیدوارکننده‌ترین گزینه‌ها، باتری حالت جامد است. باتری‌ای را تصور کنید که در آن الکترولیت مایع، محیطی که یون‌ها از طریق آن حرکت می‌کنند، با یک ماده جامد جایگزین شده است. این تغییر به ظاهر ساده، مجموعه‌ای از مزایا را به همراه دارد. ما در مورد افزایش قابل توجه چگالی انرژی صحبت می‌کنیم – یعنی مسافت پیموده شده بیشتر با یک بار شارژ. همچنین به طور بالقوه شاهد زمان‌های شارژ سریع‌تر خواهیم بود، که فرآیند “سوخت‌گیری” را به چیزی شبیه به توقف در پمپ بنزین‌های سنتی نزدیک‌تر می‌کند. و مهم‌تر از همه، طراحی‌های حالت جامد ذاتاً ایمن‌تر هستند و خطر فرار حرارتی را که می‌تواند باتری‌های الکترولیت مایع را دچار مشکل کند، کاهش می‌دهند.

رقابت برای تجاری‌سازی فناوری حالت جامد شدید است. خودروسازان معتبری مانند Toyota و شرکت‌های نوپای صنعت مانند Tesla میلیاردها دلار در تحقیق و توسعه سرمایه‌گذاری می‌کنند. شرکت‌های تخصصی باتری، مانند QuantumScape، نیز پیشرفت‌های چشمگیری داشته‌اند، سرمایه‌گذاری‌های قابل توجهی را جذب کرده و با بازیگران اصلی صنعت خودروسازی همکاری می‌کنند.

لیتیوم-گوگرد: یک قمار با ریسک بالاتر

در حالی که باتری‌های حالت جامد بیشتر توجهات را به خود جلب می‌کنند، فناوری دیگری در پشت پرده وجود دارد که نوید پتانسیل بیشتری را می‌دهد – البته با ریسک‌های بالاتر. باتری‌های لیتیوم-گوگرد چگالی انرژی نظری‌ای را ارائه می‌دهند که حتی از طراحی‌های حالت جامد نیز بیشتر است. این می‌تواند به خودروهای برقی با بُرد بی‌سابقه‌ای منجر شود، که به طور بالقوه از قابلیت‌های خودروهای بنزینی فراتر می‌رود.

با این حال، مسیر دستیابی به باتری‌های لیتیوم-گوگرد پایدار، مملو از چالش است. این باتری‌ها از نظر تاریخی از طول عمر کوتاهی رنج می‌برند و پس از تعداد محدودی چرخه شارژ و دشارژ، به سرعت تخریب می‌شوند. واکنش‌های شیمیایی درون باتری پیچیده و مستعد ناپایداری هستند، که حفظ عملکرد ثابت در طول زمان را دشوار می‌کند. با وجود این موانع، پاداش‌های بالقوه آنقدر قابل توجه هستند که تحقیقات با سرعت ادامه دارد و دانشمندان و مهندسان در سراسر جهان برای غلبه بر این موانع اساسی تلاش می‌کنند.

ضرورت بازیافت: بستن حلقه

رونق خودروهای برقی یک سوال اساسی را مطرح می‌کند: وقتی این باتری‌ها به پایان عمر مفید خود می‌رسند، چه اتفاقی برای آن‌ها می‌افتد؟ دور انداختن آن‌ها به سادگی یک گزینه نیست. این کار از نظر زیست‌محیطی غیرمسئولانه و از نظر اقتصادی اتلاف منابع است. یک زیرساخت بازیافت قوی و کارآمد بسیار مهم است.

خوشبختانه، صنعت در حال پاسخگویی است. شرکت‌های نوآور در حال توسعه فرآیندهای پیچیده‌ای برای بازیابی مواد ارزشمند موجود در باتری‌های مستعمل خودروهای برقی هستند. لیتیوم، کبالت، نیکل و منگنز را می‌توان استخراج کرد و در تولید باتری‌های جدید دوباره استفاده کرد، و یک سیستم حلقه بسته ایجاد کرد که نیاز به عملیات معدن‌کاری مخرب محیط زیست را به حداقل می‌رساند. این فقط مربوط به حفاظت از محیط زیست نیست. بلکه در مورد امنیت منابع نیز هست، که وابستگی به زنجیره‌های تامین جهانی ناپایدار را کاهش می‌دهد.

قیمت (تقریباً) مناسب است: کاهش هزینه‌ها

هزینه باتری EV بخش قابل توجهی از قیمت کلی خودرو را تشکیل می‌دهد. برای اینکه خودروهای برقی واقعاً به پذیرش انبوه دست یابند، باتری‌ها باید مقرون به صرفه‌تر شوند. خبر خوب این است که روند در جهت درست پیش می‌رود. پیشرفت‌های تکنولوژیکی، همراه با صرفه‌جویی در مقیاس با افزایش تولید، به طور پیوسته هزینه‌ها را کاهش می‌دهند.

این فقط مربوط به بهبودهای تدریجی نیست. ما شاهد پیشرفت‌هایی در شیمی باتری، فرآیندهای تولید و تامین مواد هستیم که در مجموع به کاهش قابل توجه قیمت هر کیلووات ساعت (kWh)، معیار استاندارد ظرفیت باتری، کمک می‌کنند. با ادامه کاهش هزینه‌ها، خودروهای برقی به طور فزاینده‌ای با همتایان موتور احتراق داخلی خود رقابت خواهند کرد، در نهایت به برابری قیمت رسیده و گذار به تحرک الکتریکی را تسریع می‌کنند.

دست دولت: سیاست و پیشرفت

تغییر به سمت خودروهای برقی تنها توسط نیروهای بازار هدایت نمی‌شود. سیاست‌ها و مشوق‌های دولتی نقش مهمی در شکل‌دهی چشم‌انداز دارند. یارانه‌های خرید خودروهای برقی، سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های شارژ و مقرراتی که خودروهای بدون آلایندگی را ترویج می‌کنند، همگی به تسریع منحنی پذیرش کمک می‌کنند.

کشورها و مناطق مختلف رویکردهای متفاوتی را اتخاذ می‌کنند و چشم‌انداز متنوعی از سیاست‌ها و مشوق‌ها را ایجاد می‌کنند. برخی مشوق‌های مالی مستقیم به مصرف‌کنندگان ارائه می‌دهند، در حالی که برخی دیگر بر ایجاد یک شبکه جامع از ایستگاه‌های شارژ تمرکز می‌کنند. استانداردهای سخت‌گیرانه انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز خودروسازان را مجبور می‌کند تا سرمایه‌گذاری زیادی در فناوری EV انجام دهند، که باعث نوآوری و رقابت بیشتر می‌شود. تعامل بین سیاست‌های دولت و پویایی بازار، عامل تعیین‌کننده‌ای در سرعت و مقیاس انقلاب EV خواهد بود.

جاده پیش رو بدون شک برقی است. باتری، نیروگاه بی‌صدای این انقلاب، به تکامل خود ادامه خواهد داد و قدرتمندتر، کارآمدتر و پایدارتر خواهد شد. این سفر هنوز به پایان نرسیده است، اما مقصد مشخص است: آینده‌ای از حمل و نقل که پاک‌تر، کم‌صداتر و در نهایت، جذاب‌تر است.
باتری های حالت جامد مزایای متعددی نسبت به باتری های لیتیوم یونی سنتی دارند.
چگالی انرژی بالاتر: باتری های حالت جامد می توانند انرژی بیشتری را در یک فضای معین ذخیره کنند. این بدان معناست که خودروهای برقی مجهز به باتری های حالت جامد می توانند با یک بار شارژ مسافت بیشتری را طی کنند.
سرعت شارژ بیشتر: باتری های حالت جامد را می توان سریعتر از باتری های لیتیوم یونی شارژ کرد. این امر زمان انتظار برای شارژ خودروی برقی را کاهش می دهد.
ایمنی بیشتر: باتری های حالت جامد ایمن تر از باتری های لیتیوم یونی هستند. الکترولیت جامد غیر قابل اشتعال است و خطر آتش سوزی یا انفجار را کاهش می دهد.
طول عمر بیشتر: باتری های حالت جامد می توانند چرخه های شارژ و دشارژ بیشتری را نسبت به باتری های لیتیوم یونی تحمل کنند. این بدان معناست که عمر طولانی تری دارند و نیاز به تعویض کمتری دارند.

با وجود این مزایا، باتری های حالت جامد هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند و چالش هایی برای تجاری سازی آنها وجود دارد.
هزینه تولید بالا: تولید باتری های حالت جامد در حال حاضر گران تر از باتری های لیتیوم یونی است.
مشکلات تولید: تولید انبوه باتری های حالت جامد با کیفیت بالا دشوار است.
پایداری: برخی از مواد مورد استفاده در باتری های حالت جامد ممکن است در دراز مدت ناپایدار باشند.

با این حال، محققان و شرکت ها در سراسر جهان در حال تلاش برای غلبه بر این چالش ها هستند و انتظار می رود که باتری های حالت جامد در سال های آینده به طور گسترده ای در خودروهای برقی مورد استفاده قرار گیرند.
علاوه بر باتری های حالت جامد و لیتیوم-گوگرد، فناوری های دیگری نیز در حال توسعه هستند که می توانند در آینده در خودروهای برقی مورد استفاده قرار گیرند.
باتری های لیتیوم-هوا: این باتری ها از اکسیژن هوا به عنوان یکی از مواد فعال خود استفاده می کنند و می توانند چگالی انرژی بسیار بالایی داشته باشند.
باتری های منیزیم-یون: منیزیم فراوان تر و ارزان تر از لیتیوم است و باتری های منیزیم-یون می توانند جایگزین ایمن تری برای باتری های لیتیوم-یون باشند.
باتری های سدیم-یون: سدیم نیز فراوان تر و ارزان تر از لیتیوم است و باتری های سدیم-یون می توانند برای کاربردهایی که نیاز به چگالی انرژی بالا ندارند، مناسب باشند.

توسعه این فناوری های جدید باتری، نقش مهمی در آینده خودروهای برقی و حمل و نقل پایدار خواهد داشت.