امروزه فناوری باتری بخش مهمی از وسایل نقلیه الکتریکی است و تکامل مداوم باتری ها با تغییر صنعت ادامه و توسعه خواهد یافت.
همانطور که فناوری خودروهای الکتریکی همچنان در حال پیشرفت است، باتری ها بیش از هر زمان دیگری حیاتی می شوند. پیشرفت ها در فناوری ساخت باتری، وسایل نقلیه الکتریکی را قادر می سازد تا بیشتر سفر کنند، سریعتر شارژ شوند و برای مصرف کنندگان مقرون به صرفه تر باشند.
فناوری باتری به سرعت در حال پیشرفت است، با پیشرفت های جدید و هیجان انگیز در گوشه و کنار جهان. فن آوری های فعلی باتری که در ابتدا موفقیت آمیز بودند، عملکرد محدودی را ارائه می کنند و نیاز به شارژ مکرر دارند.
باتری های لیتیوم یون امروزی که رایج ترین نوع مورد استفاده هستند، تنها می توانند تا چند صد وات ساعت در هر کیلوگرم را در خود نگه دارند و این امر باعث می شود مهندسی ساخت دستگاه هایی را که لازم است به اندازه کافی بدون نیاز به شارژ مجدد به کار خود ادامه دهند، دشوار می کند.
با این پیشرفت های دیگر فناوری باتری، دانشمندان به دنبال نتایجی برای باتری های کارآمدتر، سبک تر و ایمن تر هستند که می توانند شارژ بیشتری داشته باشند و طول عمر بیشتری داشته باشند. با جایگزین های باتری جدیدتر، تولیدکنندگان خودرو به دنبال ساخت پکیج های باتری که مزایای زیر را داشته باشند:
- وزن سبک تر
- چگالی انرژی بالاتر برای ذخیره شارژ بیشتر
- کارکرد در زمان طولانی تر
- شارژ سریع تر بدون تخریب باتری
- قابلیت بازیافت برای حفظ محیط زیست
فناوری باتری امروزه حیاتی ترین بخش خودروهای الکتریکی است و تکامل مداوم باتری ها باعث تحول در صنعت خودروسازی می شود.
1- باتری های لیتیوم-یون آند سیلیکون Silicon Anode Lithium-Ion
این یک باتری لیتیوم سیلیکونی است که حامل های شارژ آن یک لیتیوم یون و یک آند مبتنی بر سیلیکون است.
با توجه به مواد سیلیکونی، ظرفیت بسیار بیشتر است. سیلیکون 400 درصد تغییر حجم دارد و هنگامی که در حالت شارژ باشد بسیار واکنش پذیر است، بنابراین باتری های تجاری از آن برای تشکیل تقریباً 10 درصد آند استفاده می کنند.
Sila Nanotechnologies یک شرکت استارتاپی است که به دنبال جایگزینی گرافیت در آندهای لیتیوم یونی با آندهای سیلیکونی با کارایی بالا است. دایملر AG سرمایه گذاری زیادی کرده است و برای تحقق بخشیدن به آن سرمایه گذاری 170 میلیون دلاری در سال 2019 با آنها اختصاص داده است. همچنین، ایلان ماسک در سال 2015 ادعا کرد که سیلیکون موجود در باتری های مدل S به بهبود برد آن تا 6 برابر کمک کرده است.
2- باتری های حالت جامد Solid-State
در باتری حالت جامدالکترودهای جامد والکترولیت جامد جایگزین الکترولیت های مایع یا ژل پلیمری موجود در باتری های لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر می شود.
آنها راه حل هایی را برای مشکلات باتری لیتیوم یونی مانند اشتعال پذیری، استحکام ضعیف، ولتاژ محدود، عملکرد ضعیف دوچرخه سواری و تشکیل فاز ناپایدار الکترولیت جامد ارائه می دهند و باعث شارژ سریع تر، ولتاژ بالاتر و عمر چرخه طولانی تر می شوند.
تویوتا قصد دارد فناوری باتری حالت جامد را ابتدا در خودروهای الکتریکی هیبریدی خود بکار گیرد در حالی که هوندا در تلاش است ظرفیت تولید خود را در بهار 2024 اجرایی نماید.
چند چالش در طول سال ها مانع از این فناوری شده است مانند هزینه بسیار بالای تولید، حساسیت به دما و فشار و وجود دندریت ها (کریستال های فلزی روی سطح لیتیوم که در نهایت به الکترولیت جامد نفوذ می کنند، الکترودها را متقاطع می کنند و سلول باتری را کوتاه می کنند).
3- باتری های لیتیوم تنگستن نانو بولت NanoBolt Lithium Tungsten
باتری های لیتیوم تنگستن NanoBolt فناوری باتری های لیتیومی موجود را بهبود می بخشند. ذخیره انرژی کلی این باتری ها و همچنین میزان شارژ مجدد آنها با افزودن نانولوله های چند لایه کربنی و همچنین تنگستن بهبود می یابد.
این لایه های نانولوله، فضای ذخیره سازی یون ها را افزایش میدهند و از طریق ساختار شبکه ای که ایجاد می کنند، کارایی بالایی را به ارمغان می آورند.
این باتری ها می توانند انرژی بیشتری نسبت به باتری های لیتیوم یون سنتی ذخیره کنند. این برای بهبود مدت زمان رانندگی وسایل نقلیه الکتریکی ضروری است. یک باتری لیتیوم تنگستن NanoBolt بزرگ را می توان با استفاده از انرژی خورشیدی به سرعت شارژ کرد.
LG Energy Solution که باتری های مورد استفاده در Chevy Volt، Bolt EV و Chrysler Pacifica را تولید می کند، یکی از رقبای پیشرو است که روی این فناوری باتری کار می کند. گروه BAK، Nyobolt و CALT نیز روی این فناوری کار می کنند.
4- باتری لیتیوم سولفور Lithium-Sulfur
باتری لیتیوم سولفور انرژی ویژه بالایی دارد. برخلاف باتری های لیتیوم یونی معمولی، باتری های لیتیوم گوگرد جایگزین کبالت با گوگردی می شوند که چگالی انرژی بالاتری دارد. این باعث می شود انرژی بیشتری در خود نگه دارد. در مقایسه با کبالت، گوگرد فراوان تر و مقرون به صرفه تر است. توسعه دندریت ها یک نقص بزرگ برای فناوری باتری های لیتیوم-گوگرد بوده است. علیرغم افزایش محبوبیت این فناوری، هنوز راه درازی تا به ثمر رسیدن آن وجود دارد. باتری لیتیوم گوگردی این پتانسیل را دارد که میانگین برد باتری های فعلی را در حدود 250 تا 300 مایل دو برابر کند. LG Energy Solutions که برای تسلا باتری تولید می کند، روی باتری لیتیوم-گوگرد کار می کند.
5- باتری لیتیوم یونی نسل جدید New-Generation Lithium-Ion
“نسل بعدی باتری لیتیوم یون” (NGLB)، یک فناوری باتری جدید است که عملکرد قابل توجهی را از نظر زمان شارژ و طول عمر کلی بهبود می بخشد. پیش بینی می شود که سلول های NGLB بتوانند دو یا حتی سه برابر مقدار شارژ را در مقایسه با باتری های لیتیوم یون سنتی حفظ کنند. این بدان معناست که باتری های دستگاه می توانند تا سه برابر بیشتر از قبل بدون نیاز به افزایش قابل توجه اندازه یا وزن باتری دوام بیاورند.
فناوری NGLB توسط چندین شرکت بزرگ از جمله Samsung، LG Energy Solutions و Panasonic ایجاد شده است. باتری های منحصربه فرد عمدتاً برای وسایل نقلیه الکتریکی و برنامه های مختلف بزرگ طراحی شده اند، اما می توان از آن ها در هر چیزی از تلفن های هوشمند و لپ تاپ گرفته تا دستگاه های پوشیدنی استفاده کرد. تعهد به بهبود انرژی و طول عمر، NGLB ها را به گزینه ای وسوسه انگیز برای هر تعداد از برنامه های آینده تبدیل می کند.
6- باتری هیدروژنی فلزی Metal Hydrogen
باتری هیدروژنی فلزی یک منبع انرژی الکتروشیمیایی قابل شارژ مبتنی بر نیکل و هیدروژن است که به دلیل ظرفیت و کارایی خود دارای عملکرد برتر است.
آنها چندین برابر انرژی بیشتری نسبت به باتری های لیتیوم یون فعلی ارائه می دهند و می توانند 85 درصد راندمان و عمر طولانی حدود 20000 چرخه شارژ داشته باشند. این فناوری نوآورانه باتری همچنین می تواند سریع تر از قبل شارژ شود و اگر گرمای تولید شده بتواند پراکنده شود، سلول ها می توانند شارژ بیش از حد را تحمل کنند. با این حال، بزرگترین امتیازی که این فناوری پیشرفته باتری ارائه می دهد، سازگاری با محیط زیست است. این باتری ها حاوی حلال های سمی نیستند، به این معنی که نگرانی کمتری در مورد اینکه در صورت آسیب دیدن یا قرار گرفتن در معرض دمای بالا چه اتفاقی می رخ می دهد، وجود دارد. آنها کاملاً قابل بازیافت هستند،حتی می توان از آنها برای تولید برق پس از پایان عمر آنها نیز استفاده کرد.
7- باتری های اکسید روی منگنز Zinc-Manganese Oxide
باتری های اکسید روی- منگنز (ZMO)، یک راه حل امیدوارکننده برای توسعه سیستم های ذخیره انرژی پایدار از دو الکترود تشکیل شده اند: یک آند ساخته شده از روی و یک کاتد ساخته شده از اکسید منگنز
این ترکیب هیبریدی به باتری های ZMO پایداری فوق العاده میدهد، اما چگالی انرژی پایین تر آن یک نقطه ضعف بزرگ است زیرا قادر به ذخیره شارژ کافی در سلولهای خود نیست تا آن را به رقیبی شایسته برای باتری های لیتیوم یون تبدیل کند. همچنین معمولاً نسبت به باتری های لیتیومی ارزانتر هستند، زیرا به دست آوردن اجزای روی بسیار آسانتر و ارزانتر از اجزای لیتیومی است. اگرچه این بدان معناست که به دلیل چگالی انرژی کم روی، باید یک سلول با ظرفیت بالاتر در مقایسه با باتری های لیتیوم یون تولید شود. این باتری ها ایمن و غیر قابل اشتعال هستند و برای استفاده تقریباً در هر دستگاه یا برنامه ای مناسب هستند.
8- باتری لیتیوم یونی بدون کبالت Cobalt-Free Lithium-ion
CATL، سازنده باتری های برقی چینی، قصد دارد اولین تولید کننده باتری های لیتیوم یونی بدون کبالت باشد. آنها فروش آنها را در سال 2021 آغاز کردند. تسلا همچنین تقریباً نیمی از خودروهایی را که در سه ماهه اول سال 2022 فروختند به باتری های لیتیوم آهن فسفات بدون کبالت (LFP) مجهز کرد. این باتری های لیتیوم یونی بدون کبالت از نانوذراتی مانند سیلیکون یا کربن به عنوان ماده آند استفاده می کنند. آنها چگالی انرژی، نرخ شارژ و دشارژ و ایمنی را افزایش داده اند. کاهش مصرف منابع و کاهش سطح سمیت آنها یک مزیت بزرگ زیست محیطی است. چگالی انرژی بالاتر، عمر چرخه طولانی تر و زمان شارژ سریع تر تا پنج برابر ظرفیت، 1500 چرخه شارژ و سه برابر سرعت به ترتیب نسبت به برخی باتری های Li-ion معمولی و همچنین هزینه تولید پایین تر به دلیل کاهش مصرف منابع دارند. و ایمنی را با اتلاف حرارت کمتر در طول فرآیندهای شارژ/دشارژ بهبود بخشید.
9- باتری های الکترولیت ارگانوسیلیک Organosilicon Electrolyte
باتری های ارگانوسیلیکون بسیار مقاوم تر از باتری های لیتیوم یونی در برابر آتش هستند و عملکرد الکتروشیمیایی بهتری دارند. آنها همچنین دارای ویژگی های ایمنی و پایداری برتری هستند. هنگامی که از الکترولیت ارگانوسیلیکون به عنوان یک حلال کمکی استفاده می شود، می تواند عمر سلولی، ظرفیت و برد باتری را افزایش دهد. برای تسهیل این فناوری، محققان در حال کار بر روی برخی از انواع سیلیکون ارگانوسیلیک مانند سیلان، پلی سیلوکسان، سیلوکسان و همچنین سیلسسکویوکسان های الیگومری چند وجهی هستند تا طرح های مولکولی، پایداری شیمیایی، حرارتی و الکتروشیمیایی، هدایت یونی و ایمنی آنها را بررسی کنند.
این باتری ها به دلیل عدم وجود الکترولیت های مایع قابل اشتعال، ایمن تر از شیمی لیتیوم-یون استاندارد خواهند بود. آنها همچنین مواد خطرناک کمتری در ترکیب خود دارند. این اطمینان باعث می شود که باتری های الکترولیت سیلیکونی ارگانوسیلیون گزینه ای عالی برای کاربردهایی هستند که ایمنی در آنها بسیار مهم است، مانند وسایل نقلیه الکتریکی، تجهیزات پزشکی، هواپیماهای بدون سرنشین و موارد دیگر!
10- باتری سدیم یون (آب شور) Sodium-Ion (Saltwater)
باتری آب شور اساساً محفظه ای از آب نمک و دو الکترود است که در صورت اتصال به منبع برق خارجی، برق تولید می کنند. این دو الکترود که معمولاً از کربن ساخته شده اند، با الکترولیت سولفات سدیم موجود در آب نمک واکنش داده و انرژی را به شکل یون ذخیره می کنند. طول عمر بالایی دارند. آنها به اندازه همتایان لیتیوم یونی خود به تعمیر و نگهداری نیاز ندارند. به همین دلیل است که می تواند انرژی را برای مدت طولانی بدون از دست دادن آن ذخیره کند. بزرگترین مزیت باتری های آب شور این است که می توان آنها را با هزینه کمتری از باتری های لیتیوم یون تولید کرد. همچنین، آنها غیر سمی هستند.
نقطه ضعف باتری های سدیم یون این است که آنها نمی توانند به اندازه باتری های لیتیوم یونی به دلیل چگالی انرژی پایین، شارژ ذخیره کنند و نمی توانند به اندازه باتری های لیتیوم یون شارژ شوند.
