خودروسازان برای تولید باتری های حالت جامد برای خودروهای برقی رقابت می کنند

ترجمه: سلیم حیدری

باتری حالت جامد: از آن به عنوان یک پیشرفت در خودروهای الکتریکی استقبال می شود. صنعت خودرو به شدت روی این فناوری سرمایه گذاری می کند و این فناوری می تواند رانندگی و ایمنی را بهبود بخشد و هزینه های تولید را کاهش دهد.

تمام خودروسازان بزرگ اروپایی از این باتری ها استقبال کرده اند. آنها در تلاش برای رسیدن به مهلت مقرر اتحادیه اروپا در سال ۲۰۳۵ مبنی بر حذف تدریجی موتور احتراقی هستند.

مرسدس بنز، بی ام و و فولکس واگن همگی در حال حاضر از باتری های لیتیومی استاندارد استفاده می کنند. اما آنها همچنین پول قابل توجهی را برای تحقیق و توسعه باتری موسوم به حالت جامد صرف می کنند.

با توجه به اینکه صنعت خودرو به دنبال کاهش انتشار کربن بوسیله حذف موتور احتراقی است، باتری منبع انرژی برای جایگزینی بنزین بوده است. توسعه خودروهای الکتریکی (EV) تقاضا برای باتری های خودرو با برد رانندگی بیشتر را ایجاد کرده است.

باتری‌های حالت جامد می‌توانند این مزیت را نسبت به باتری‌هایی که در حال حاضر استفاده می‌شوند، همراه با چگالی انرژی بالاتر و شارژ سریع‌تر داشته باشند. آنها می توانند سبک تر و ایمن تر باشند.

از یک بار مصرف تا حالت جامد

از سلول های ساده و یک بار مصرف مانند AA و AAA گرفته تا سلول های باتری قابل شارژ مانند باتری های مورد استفاده در خودروهای برقی، استفاده از باتری نیز از زمان اختراع آنها در دهه ۱۸۰۰ به طور قابل توجهی تکامل یافته است.

پروفسور فردیناند دودنهوفر، مدیر مرکز تحقیقات خودرو در دویسبورگ آلمان به دویچه وله گفت: “به نظر من باتری بزرگترین نوآوری قرن بیست و یکم است و جهان ما را به کلی تغییر می دهد.”

دو نوع باتری اصلی وجود دارد: اولیه و ثانویه. باتری های اولیه که به عنوان باتری های یکبار مصرف نیز شناخته می شوند، قابل شارژ نیستند. آنها انرژی ثابتی را در طول عمر خود فراهم می کنند اما نمی توان آنها را برای تولید انرژی بیشتر معکوس کرد. محبوب ترین نوع از این باتری آلکالاین است که به طور گسترده در دستگاه های مستقل کم مصرف استفاده می شود.

در همین حال، باتری‌های ثانویه اجازه می‌دهند تا واکنش‌های شیمیایی از طریق اعمال ولتاژ معکوس شود و آنها را قابل شارژ می‌کند. باتری‌های اسید سرب، هیدرید فلز نیکل و باتری‌های لیتیوم یونی که همگی در صنعت خودرو استفاده می شود از این نوع است، به‌ویژه باتری‌های لیتیومی سبک‌وزن در خودروها استفاده می‌شوند. تسلا برای خودروهای الکتریکی خود به شدت به باتری های لیتیومی متکی است.

باتری های جدید می توانند مشکلات خودروهای الکتریکی را حل کنند

باتری‌های لیتیومی متکی به محلول الکترولیت مایع هستند که به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهد تا در حد نیاز برای عملکرد باتری حرکت کنند. با باتری های حالت جامد، دانشمندان موفق شده اند، این الکترولیت مایع را با یک الکترولیت جامد جایگزین کنند. این امر باعث می شود تا اجزای جداکننده سنگین مورد نیاز برای جلوگیری از تماس الکترود مثبت با الکترود منفی حذف شوند.

عدم وجود الکترولیت مایع قابل اشتعال خطر آتش سوزی را کاهش می دهد و باتری را در مقایسه با باتری حالت مایع ایمن تر می کند.

آزمایش‌های آزمایشگاهی در ژاپن و اروپا پتانسیل زیادی را در باتری نشان داده‌اند، به طوری که تویوتا اخیراً از پیشرفت در باتری حالت جامد خبر داده است. در اوایل ژوئیه (تیر)، این خودروساز ژاپنی گفت که فرآیند تولید مواد مورد استفاده در ساخت آنها را ساده کرده است. تویوتا، دومین خودروساز بزرگ جهان، گفته است که قصد دارد تا سال ۲۰۲۵ خودروهایی با باتری های حالت جامد تولید کند.

با توجه به چگالی انرژی بالاتر، باتری حالت جامد ماشین را در مسافت های طولانی تر تغذیه می کند، از این رو برد را بهبود می بخشد. این مساله موضوعی کلیدی هم برای مصرف کنندگان و هم برای تولیدکنندگان در مورد خودروهای الکتریکی است.

فناوری باتری حالت جامد آنقدر مهم است که فولکس واگن به بزرگترین سهامدار QuantamScape تبدیل شده است، یک شرکت باتری سازی حالت جامد که در سال ۲۰۱۰ تأسیس شد. در اواخر جولای (مرداد)، سهام این شرکت با شنیدن خبر همکاری با یک شریک در صنعت خودرو افزایش یافت.

مرسدس بنز، به نوبه خود، قصد دارد تا سال ۲۰۳۰ تمام برقی شود. آنها همچنین با شرکت هایی مانند Prologium، یک توسعه دهنده تایوانی و سازنده باتری های حالت جامد، قراردادهایی امضا کرده اند.

اما در کنار مزایای متعدد، باتری حالت جامد نیز عمر باتری کمی دارد. لورنز اولبریچ، دانشجوی دکترای علوم مواد در دانشگاه آکسفورد، به دویچه وله گفت که ترک‌ها می‌توانند در این باتری‌ها ایجاد و رشد کنند، «از این رو عمر کوتاه‌تری برای باتری فراهم می‌کند».

مقیاس پذیری هنوز مورد سوال است

اگرچه تصور می‌شود باتری حالت جامد سبک‌تر، قوی‌تر با زمان‌های شارژ کوتاه‌تر و ایمن‌تر است، اما کارشناسان درباره هزینه‌های تولید انبوه و میزان هزینه‌ای که مصرف‌کنندگان باید برای آن بپردازند، تردید دارند.

تیم ویک، محقق موسسه Fraunhofer برای سیستم‌ها و تحقیقات نوآوری، گفت که تقاضا برای این باتری‌های جدید در ابتدا محدود به بازارهای خاص خواهد بود.

او به دویچه وله گفت: “این باتری‌های حالت جامد با شروع صنعتی شدن گران‌تر خواهند بود، زیرا مقیاس تولید بسیار کوچک‌تر از تقاضا خواهد بود.”

اتحادیه اروپا تولید سلول باتری را به عنوان یک پروژه مهم مورد علاقه مشترک اروپا اعلام کرده است. این بدان معناست که دولت می تواند برای خودروسازانی که در فناوری باتری سرمایه گذاری می کنند، یارانه ارائه دهد. اتحادیه اروپا قبلاً به چندین سازنده باتری در کشورهای مختلف کمک های مالی ارائه کرده است.

دولت‌ها همچنین به خودروسازانی کمک مالی کرده‌اند که به نوبه خود از شرکت‌ها و استارت‌آپ‌هایی که روی باتری‌های حالت جامد و دیگر فناوری‌های باتری کار می‌کنند، حمایت مالی کرده‌اند. همچنین سایر تکنولوژی های باتری هم اکنون در سراسر اروپا  در مرحله تحقیق و توسعه هستند.

استارت زدن چین تهدیدی برای غرب است

محققان چینی در دانشگاه علم و صنعت چین از ساخت باتری حالت جامد خبر دادند که می تواند با نرخ ارزان تری تولید شود. این پیشرفت ممکن است تلاش‌های غرب برای عدم وابستگی به چین برای باتری‌های برقی را کند کند.

با توجه به اینکه چین از نظر فناوری و ظرفیت تولید در مقایسه با اروپا کیلومترها جلوتر است، بسیاری از خودروسازان اروپایی برای تامین باتری برای خودروهای برقی خود به طور سنتی به شرکت های چینی وابسته هستند.

شرکت‌های باتری‌سازی چینی بیش از ۷۰ درصد از تولید جهانی را به خود اختصاص داده‌اند و شرکت‌هایی مانند BYD، CATL و Tritek باتری خودروسازان غربی را تامین می‌کنند.

چین همچنین دارای گنجینه عظیمی از منابع طبیعی مانند لیتیوم، کبالت، منگنز، گرافیت و نیکل است که در ساخت قطعات باتری استفاده می شود. چندین شرکت اروپایی و آمریکایی به تامین این محصولات از چین وابسته هستند.

چین در حال حاضر از کنترل زیادی بر زنجیره تامین برخوردار است. با تغییر عرصه ژئوپلیتیک، خودروسازان در غرب در تلاش هستند تا راه هایی برای رهایی از وابستگی به چین بیابند.

اولبریچ از آکسفورد گفت: «در غرب به دلیل وابستگی شدید به چین که دارای مواد خام است، ترس زیادی وجود دارد. این فقط مواد خام نیست، بلکه بزرگترین تولیدکنندگان سلول های باتری از چین می آیند.”

همزمان با سرمایه گذاری و ایجاد کارخانه های جدید تولید باتری، تلاش ها برای بازیافت باتری های قدیمی در سراسر اروپا و ایالات متحده افزایش یافته است. به عنوان مثال در اروپا، مقررات اتحادیه اروپا در مورد باتری ها تاکید زیادی بر بازیافت به عنوان منبع مواد خام به منظور تضمین پایداری و کاهش هزینه در تولید باتری دارد.

ویک می‌گوید: “اگرچه اروپا در حال حاضر فاقد مواد خام است، راه دیگری برای به دست آوردن آن‌ها جدا از استخراج وجود دارد. ما می توانیم مواد را از طریق بازیافت به دست آوریم. بازیافت مواد از باتری هایی که چرخه عمر خود را به پایان رسانده اند مهم است.”

منبع: دویچه وله