انواع مختلف معماری سلولی مورد استفاده در خودروهای برقی
با افزایش محبوبیت وسایل نقلیه الکتریکی، درک انواع مختلف معماری سلولی مورد استفاده در آنها مهم است. از سلولهای لیتیوم یونی و سلولهای استوانهای گرفته تا طرحهای کیسهای و ماژولهای منشوری بزرگتر، انواع مختلفی از سلولها وجود دارند که پک باتری خودروهای برقی را تشکیل میدهند و هر کدام مزایا و معایب عملکردی را برای طیف وسیعی از کاربردها ارائه میکنند.
علاوه بر این، با تکنولوژی به سرعت در حال توسعه، باتری ها می توانند در آینده حتی کارآمدتر شوند. درک این ساختارهای سلولی می تواند به تصمیم گیری هنگام انتخاب وسیله نقلیه الکتریکی مناسب با توجه به عواملی مانند هزینه، برد، مقیاس پذیری و کارایی کمک کند.
سلول های استوانه ای
سلول های استوانه ای رایج ترین نوع باتری مورد استفاده در خودروهای الکتریکی هستند. آنها از یک ظرف فلزی با دو الکترود (کاتد و آند) تشکیل شده اند که حاوی الکترولیت های لیتیوم یونی هستند. اندازه این سلول ها را می توان برای مطابقت با نیازهای خاص برنامه سفارشی کرد و آنها را بسیار متنوع و برای کاربردهای EV ایده آل می کند.
مزایا و معایب سلول های استوانه ای
مزایا
- همه کاره بودن – می تواند در اندازه های مختلف مطابق با نیازهای خاص ساخته شود.
- چگالی انرژی بالا – این سلولها برای بهرهوری انرژی بالا طراحی شدهاند که به برد طولانیتر در هر بار شارژ تبدیل میشود.
- مقرون به صرفه بودن- سلول های استوانه ای در مقایسه با سایر طرح ها می توانند صرفه جویی قابل توجهی را ارائه دهند.
معایب
- مقیاس پذیری محدود – سلول های استوانه ای ممکن است برای کاربردهای بسیار بزرگ ایده آل نباشند.
- عملکرد دمای پایین – این باتری ها در دماهای سرد عملکرد ضعیفی دارند و ممکن است برای استفاده در چنین شرایطی به عایق اضافی نیاز داشته باشند.
- ویژگیهای ایمنی کاهشیافته – در حالی که سلولهای استوانهای عموماً ایمن هستند، طراحی آنها همان سطح از ویژگیهای ایمنی را مانند برخی از طرحهای دیگر ارائه نمیدهد.
- استفاده با کارآمدی کمتر از فضا – شکل استوانه ای سلول ها هنگام بسته بندی حین فروش در کنار یکدیگر شکاف ایجاد می کند که می تواند چگالی انرژی پک باتری را کاهش دهد.
سلول های کیسه ای
سلولهای کیسهای به دلیل طراحی با وزن سبک و انعطافپذیر، انتخابی محبوب برای خودروهای الکتریکی هستند. آنها از دو الکترود با یک کیسه نرم بین آنها تشکیل شده اند که با الکترولیت پر شده و با یک فیلم لمینت مهر و موم شده اند. این اجازه می دهد تا سلول در صورت نیاز شکل داده شود و آنها را برای برنامه هایی که در آنها فضا محدود است، مانند خودروهای برقی ایده آل می کند.
مزایا و معایب سلول های کیسه ای
مزایا
- وزن سبک – سلولهای کیسهای بسیار سبکتر از سایر طرحهای سلولی هستند، که آنها را برای خودروهای الکتریکی ایدهآل میکند.
- طراحی انعطاف پذیر – این سلول ها را می توان در صورت نیاز خم کرد یا شکل داد تا در فضاهای تنگ قرار گیرند.
- چگالی انرژی بالا – سلول های کیسه ای به دلیل مشخصات نازک و طراحی انعطاف پذیر، چگالی انرژی بالایی دارند.
معایب
- گرانتر هستند – سلولهای کیسهای نسبت به سایر طرحها گرانتر هستند.
- مقیاس پذیری محدود – سلول های کیسه ای به دلیل اندازه محدود ممکن است برای کاربردهای بسیار بزرگ ایده آل نباشند.
سلول های منشوری
سلولهای منشوری بزرگتر و قدرتمندتر از سلولهای استوانهای یا کیسهای هستند و آنها را به انتخابی عالی برای پک های باتری EV در مقیاس بزرگ تبدیل میکند. این سلول ها از یک پشته الکترود تشکیل شده اند که در یک محفظه آلومینیومی مهر و موم شده، با الکترولیت های لیتیوم یونی پر شده و سپس به شکل دلخواه تا می شود. این کار اجازه می دهد تا سلول برای هر نوع محدودیت فضایی سفارشی شود و آنها را به گزینه ای عالی برای پک های باتری بزرگتر تبدیل می کند.
مزایا و معایب سلول های منشوری
مزایا
- چگالی انرژی بالا – این سلول ها چگالی انرژی بالاتری نسبت به طرح های دیگر ارائه می دهند.
- همه کاره بودن – طراحی سلول های منشوری امکان سفارشی سازی اندازه و شکل را برای مطابقت با نیازهای خاص فراهم می کند.
- مقیاس پذیری – این سلول ها را می توان برای پاسخگویی به نیازهای وسایل نقلیه الکتریکی بزرگ بزرگ تر کرد.
معایب
- گرانتر بودن – سلولهای منشوری نسبت به سایر طرحها گرانتر هستند.
کاهش انعطاف پذیری – طراحی سلول های منشوری باعث می شود انعطاف پذیری آنها کمتر از سلول های استوانه ای و کیسه ای باشد.
استفاده از تکنولوژی باتری استوانه ای در وسایل نقلیه الکتریکی Cylindrical Battery Technology
باتری های استوانه ای یکی از رایج ترین انواع باتری های مورد استفاده در خودروهای الکتریکی (EV) هستند. این باتریها به دلیل شکل استوانهای و چگالی انرژی بالایی که دارند، برای خودروهای الکتریکی مناسب هستند. آنها از یک الکترود مثبت، الکترود منفی، جداکننده و الکترولیت ساخته شده اند که در یک محفظه استوانه ای با هم مونتاژ می شوند. الکترودهای مثبت و منفی معمولاً از یون لیتیوم ساخته می شوند، در حالی که الکترولیت اجازه حرکت یون های لیتیوم بین الکترودها را در هنگام شارژ و تخلیه می دهد.
پیش بینی می شود باتری استوانه ای برای بازار خودروهای الکتریکی در سال های آینده شاهد رشد قابل توجهی باشد. افزایش تقاضا برای خودروهای برقی، همراه با پیشرفتهای فناوری باتری، باعث رشد بازار شده است. باتری های استوانه ای مزایایی مانند سیکل عمر طولانی، توان خروجی بالا و پایداری حرارتی برتر را ارائه می دهند. این ویژگیها برای خودروهای برقی بسیار مطلوب هستند زیرا محدوده رانندگی طولانیتر، زمان شارژ کوتاهتر و ایمنی بهبود یافته را فراهم میکنند.
علاوه بر این، نگرانیهای فزاینده در مورد آلودگی زیستمحیطی ناشی از وسایل نقلیه معمولی، باعث پذیرش بیشتر خودروهای الکتریکی میشود که به نوبه خود باعث افزایش تقاضا برای باتریهای استوانهای میشود. ابتکارات و انگیزه های دولتی گسترده برای ترویج وسایل نقلیه الکتریکی نیز به رشد بازار کمک می کند.
از نظر روند، بازار شاهد تغییر به سمت توسعه باتری های استوانه ای پیشرفته با تراکم انرژی بالاتر و ویژگی های ایمنی بهبود یافته است. سازندگان بر روی توسعه باتریهایی تمرکز میکنند که میتوانند مسافت رانندگی طولانیتر و زمان شارژ سریعتر را فعال کنند. علاوه بر این، ادغام سیستم های مدیریت باتریbattery management systems (BMS) و سیستم های مدیریت حرارتی پیشرفته در باتری های استوانه ای در حال افزایش است.
در نتیجه، انتظار میرود باتری استوانهای برای بازار خودروهای الکتریکی رشد قابلتوجهی را تجربه کند. پذیرش روزافزون خودروهای الکتریکی، پیشرفت در فناوری باتری و ابتکارات دولتی عوامل کلیدی رشد بازار هستند. این صنعت همچنین شاهد گرایش به سمت چگالی انرژی بالاتر و ویژگیهای ایمنی بهبود یافته در باتریهای استوانهای است.
باتری استوانه ای برای فعالان بازار خودروهای الکتریکی
بازار باتری های استوانه ای برای وسایل نقلیه الکتریکی بسیار رقابتی است و چندین شرکت اصلی در تلاش برای به دست آوردن سهم قابل توجهی از بازار هستند. برخی از شرکت های کلیدی در این چشم انداز عبارتند از:
BYD, Panasonic, CATL, OptimumNano, LG Chem, GuoXuan, Lishen, PEVE, AESC, Samsung, Lithium Energy Japan, Beijing Pride Power, BAK Battery, WanXiang, Hitachi, ACCUmotive, and Boston Power.
BYD، یک شرکت چینی، پیشرو در بازار باتری خودروهای الکتریکی بوده است. BYD که در سال 1995 تأسیس شد، به یکی از بزرگترین تولیدکنندگان خودروهای الکتریکی و باتری در جهان تبدیل شد. این شرکت بر روی تحقیق و توسعه متمرکز شده است و باتری های آن به دلیل چگالی انرژی بالا و عمر طولانی شناخته شده اند. BYD با استفاده از باتریهای آن در مدلهای مختلف خودروهای الکتریکی در سطح جهان، شاهد رشد قابل توجهی در بازار بوده است. این شرکت درآمد فروش خود را بیش از 16 میلیارد دلار در سال 2019 گزارش کرده است.
پاناسونیک، یک شرکت ژاپنی، یکی دیگر از شرکت های برجسته در بازار باتری های استوانه ای است. پاناسونیک با سابقه ای طولانی در صنعت باتری، چندین سال است که باتری خودروهای الکتریکی را تامین می کند. باتری های این شرکت به دلیل قابلیت اطمینان و عملکرد شناخته شده هستند. پاناسونیک شراکت استراتژیک با خودروسازان بزرگ از جمله تسلا برقرار کرده است و در سال های اخیر شاهد رشد بازار قوی بوده است. این شرکت درآمد فروش بیش از 71 میلیارد دلار در سال مالی 2020 را گزارش کرد.
LG Chem، نیز یک شرکت کلیدی در بازار است که مربوط به کشور کره جنوبی می باشد. این شرکت سرمایه گذاری هنگفتی روی فناوری باتری کرده است و رشد چشمگیری در بازار داشته است. LG Chem باتریهایی را برای خودروسازان مختلف در سراسر جهان از جمله تسلا و جنرال موتورز تامین میکند و درآمد فروش بیش از 25 میلیارد دلار در سال 2019 را گزارش داده است.
CATL، یکی دیگر از شرکت ها، یک تولید کننده باتری چینی است که در سال های اخیر به سرعت سهم بازار را به دست آورده است. تمرکز این شرکت بر تولید باتری های با کیفیت بالا با تمرکز بر تراکم انرژی و ایمنی است. CATL به تامین کننده اصلی تولیدکنندگان خودروهای الکتریکی از جمله BMW و Volkswagen تبدیل شده است. این شرکت درآمد فروش بیش از 7 میلیارد دلار را در سال 2019 گزارش کرده است.
این شرکت ها، همراه با سایر شرکت ها در بازار، به طور مداوم در حال نوآوری و سرمایه گذاری در تحقیق و توسعه برای بهبود فناوری باتری برای خودروهای الکتریکی هستند. پیشبینی میشود که اندازه بازار باتریهای استوانهای برای وسایل نقلیه الکتریکی در سالهای آتی بهدلیل افزایش تقاضا برای خودروهای برقی در سراسر جهان رشد قابلتوجهی داشته باشد.
تقاضای فزاینده برای فناوری باتری توسط برقی شدن بخش خودرو تقویت شده است. در نتیجه، تولیدکنندگان پیشرو در حال حاضر روی ایجاد سلولهای باتری در پیکربندیهای مختلف برای برآورده کردن نیازهای روزافزون این بخش تمرکز کردهاند. سه نوع پیکربندی اولیه سلول های منشوری، سلول های کیسه ای و سلول های استوانه ای وجود دارند.
هر فرمت مزایا و معایب منحصر به فرد خود را دارد. به عنوان مثال، سلولهای منشوری ظرفیت بستهبندی عالی ای را ارائه میدهند، سلولهای کیسهای قابل حمل هستند، در حالی که سلولهای استوانهای قابل اعتماد هستند و به آسانی برای تولید با افزایش مقیاس بزرگتر میشوند. تولیدکنندگانی مانند LG Chem، Samsung، SK Innovation، CATL و Gotion برای برآوردن نیازهای مشتریان خود، همگی خطوط تولید خود را گسترش داده و در قالبهای مختلف سرمایهگذاری میکنند.
در مورد قالبی که می تواند بر توسعه فناوری باتری تأثیر بگذارد، اتفاق نظر روشنی در صنعت وجود ندارد. تولیدکنندگان مختلف و کاربران نهایی در تلاش برای ایجاد بهترین راه حل برای نیازها و چالش های خود، روی گزینه های مختلف و سفارشی شده شرط بندی می کنند. درک ویژگی ها و مزایایی که هر گزینه ارائه می دهد برای تصمیم گیری آگاهانه ضروری است.
فرصت های کلیدی برای باتری استوانه ای برای سازندگان خودروهای الکتریکی چیست؟
بازار باتری های استوانه ای برای وسایل نقلیه الکتریکی به دلیل استقبال روزافزون از وسایل نقلیه الکتریکی در سطح جهان، رشد قابل توجهی را تجربه می کند. این باتری ها که معمولاً مبتنی بر فناوری لیتیوم یونی هستند، چگالی انرژی بالا، طول عمر بیشتر و قابلیت شارژ سریع را ارائه می دهند. علاوه بر این، افزایش تقاضا برای وسایل نقلیه الکتریکی ناشی از ابتکارات دولتی، نگرانیهای زیست محیطی و پیشرفتهای تکنولوژیکی باعث افزایش بیشتر رشد بازار میشود و همچنین انتظار می رود تمرکز فزاینده بر کاهش انتشار کربن و توسعه فناوری های پیشرفته باتری، بازار باتری های استوانه ای را برای وسایل نقلیه الکتریکی در آینده به حرکت درآورد. به طور کلی، بازار چشم انداز مثبت با پتانسیل رشد قوی در سال های آینده دارد.
تقسیم بندی بازار
باتری استوانه ای برای تجزیه و تحلیل بازار خودروهای الکتریکی بر اساس انواع به دو دسته تقسیم می شود:
- باتری لیتیوم یونی
- باتری NI-MH
بازار باتری های استوانه ای برای وسایل نقلیه الکتریکی از دو نوع عمده تشکیل شده است: باتری های لیتیوم یونی lithium-ion (Li-ion) و باتری های نیکل-فلز هیدرید nickel-metal (Ni-MH). باتری های لیتیوم یونی در حال حاضر به دلیل چگالی انرژی بالا و طول عمر بیشتر، محبوب ترین و پرکاربردترین باتری ها هستند. آنها عملکرد بهتری دارند و در مقایسه با باتری های Ni-MH سبک تر و فشرده تر هستند. از سوی دیگر، باتریهای Ni-MH نسبت به باتریهای لیتیوم یونی کمی کارآمدتر، حجیمتر و طول عمر کمتری دارند. با این حال، آنها ارزان تر هستند و استفاده از آنها ایمن تر است.
باتری استوانهای برای تحقیقات صنعت خودروهای الکتریکی توسط نرم افزار به دو دسته تقسیم میشود:
- وسیله نقلیه مسافربری
- وسیله نقلیه تجاری
باتریهای استوانهای به طور گسترده در وسایل نقلیه الکتریکی برای کاربردهای مسافربری و تجاری استفاده میشوند. این باتری ها به شکل استوانه ای هستند که به راحتی در فضای محدود وسایل نقلیه جا می شوند. در بازار وسایل نقلیه سواری، باتریهای استوانهای منبع انرژی کارآمدی را برای خودروها ارائه میکنند و از برد رانندگی طولانیتر و زمان شارژ سریعتر اطمینان میدهند. به طور مشابه، در بازار خودروهای تجاری، باتریهای استوانهای انرژی قابل اعتمادی را برای کامیونها، وانتها و اتوبوسها فراهم میکنند و آنها را قادر میسازد تا مسافتهای طولانیتری را طی کنند و از عملیاتهای سنگین پشتیبانی کنند. به طور کلی، باتری های استوانه ای اجزای ضروری در صنعت رو به رشد خودروهای الکتریکی هستند.
از نظر منطقه، باتری استوانهای برای فعالان بازار خودروهای الکتریکی موجود بر اساس منطقه عبارتند از:
- آمریکای شمالی: ایالات متحده آمریکا کانادا
- اروپا: آلمان فرانسه انگلستان، ایتالیا روسیه
- آسیا و اقیانوسیه: چین ژاپن کره جنوبی هند استرالیا چین تایوان اندونزی تایلند مالزی
- آمریکای لاتین: مکزیک برزیل آرژانتین کره کلمبیا
- خاورمیانه و آفریقا: ترکیه عربستان سعودی UAEK
بر اساس تجزیه و تحلیل انجام شده، انتظار می رود باتری استوانه ای برای بازار خودروهای الکتریکی رشد قابل توجهی در مناطق آمریکای شمالی (NA)، آسیا و اقیانوسیه (APAC)، اروپا، ایالات متحده (ایالات متحده آمریکا) و چین داشته باشد. پیشبینی میشود NA که با پذیرش سریع خودروهای الکتریکی هدایت میشود، به یک منطقه غالب بازار تبدیل شود و سهم قابل توجهی از بازار را به خود اختصاص دهد. انتظار میرود که APAC، با تاکید شدید چین بر تحرک الکتریکی، شاهد رشد قوی ای باشد. از نظر ارزش گذاری سهم بازار، پیش بینی می شود NA و چین درصد قابل توجهی را در اختیار داشته باشند که نشان دهنده برجستگی و پتانسیل بازار آنها در بخش خودروهای الکتریکی است.
آیا باتری های استوانه ای برای وسایل نقلیه الکتریکی مناسب ترند؟
در ژانویه 2017، تسلا، برند پیشرو خودروهای الکتریکی در جهان، ادعا کرد که کارخانه Gigafactory این شرکت شروع به تولید باتریهای لیتیوم یونی کرده است. این باتری یک باتری لیتیومی 2170 استوانه ای است که توسط تسلا به همراه پاناسونیک توسعه یافته و برای مدل جدید سری 3 استفاده خواهد شد.
به نظر می رسد از سال 18650 تا 2170، باتری های لیتیوم یونی استوانه ای هر روز بیشتر مورد پذیرش بازار قرار می گیرند. با این حال، در حالی که تسلا به باتریهای استوانهای 18650 پایبند است، انتخاب دو برند دیگر از بزرگترین خودروهای الکتریکی جهان، نیسان و شورولت ولت، متفاوت است. با توجه به گزارش، نیسان، شورولت ولت برای انتخاب یک باتری قدرت لمینت شده توسط یک باتری Soft Pack.
دلایل برند جهانی خودروهای برقی که آنها را از انتخاب منبع تغذیه متمایز می کند چیست؟ مزایا و معایب باتری های لیتیوم یونی 18650 و باتری های بسته نرم در صنعت باتری خودرو چیست؟
آیا باتری های پک نرم برای وسایل نقلیه الکتریکی مناسب تر هستند؟
شکل های مختلف الکترولیت
به عنوان بازار فعلی برای دو باتری اصلی، باتری 18650 و باتری لیتیوم پلیمری نسبت به مواد بسته بندی پوسته نرم است. باتری 18650 معمولاً یک بسته پوسته فولادی است (18 به معنی قطر 18 میلی متر، 65 نشان دهنده طول 65 میلی متر، 0 باتری استوانه ای است)، قسمت هایی از الکترود داخلی و دیافراگم از نوع سیم پیچ هستند. بسته بیرونی باتری با بسته بندی نرم لیتیوم پلیمری از فیلم پلی اتیلن آلومینیومی، یک قطعه، یک الکترود داخلی و یک دیافراگم دو لایه (یک لایه در سطح پشته) استفاده می کند.
اگرچه شکل و ساختار داخلی متفاوت است، اما اصول دو باتری اساساً یکسان است. هر دو باتری قطب مثبت، منفی و الکترولیت، مواد کاتدی، به طور معمول لیتیوم کبالت، نیکل کبالت لیتیوم منگنز اسید (مواد سه تایی)، لیتیوم-آهن-فسفات یا اکسید منگنز لیتیوم، مواد کاتدی، معمولا گرافیت، الکترولیت شش از لیتیوم فلوراید با یک محلول فسفات را دارند.
تفاوت اصلی آنها در این است که یکی از مواد داخلی باتری-الکترولیت متفاوت است: باتری لیتیوم پلیمری یک بسته نرم در داخل الکترولیت مورد استفاده پلیمر است که معمولاً ژل یا جامد است و سلول های 18650 از الکترولیت داخلی معمولا مایع هستند.
هر دوی آنها مزایا و معایبی دارند
باتری های لیتیوم یونی 18650 و باتری های لیتیوم پلیمری در بسته بندی نرم دارای مزایا و معایب خود هستند. در حال حاضر، باتری 18650 به سطح بالاتری از اتوماسیون تولید، انطباق باتری، امنیت و وزن سبک رسیده است، همه این مزایا برای تولید انبوه مناسب تر است. بسیاری از مردم بر این باورند که در این مرحله استفاده از باتری 18650 به عنوان منبع تغذیه بهترین انتخاب برای خودروهای برقی است.
با این حال، باتری 18650 همچنین دارای اشکالات اجتناب ناپذیر است، یعنی ظرفیت چگالی انرژی نسبتاً کم است (معمولاً حدود 2 تا 4 acs). این امر به تعداد زیادی باتری برای حفظ مسافت طولانی نیاز دارد، اما برای حفظ ثبات تعداد زیادی سلول باتری به سیستمهای مدیریت باتری پیچیده نیاز است و تاکنون فقط تسلا از این فناوری برخوردار بوده است.
این باتری کاملاً متفاوت از باتری لیتیوم پلیمری است که دارای مزایای شکل نازک، ناحیه دلخواه و شکل دلخواه (0.33 میلی متر، 0.50 میلی متر و سایر مدل های باتری فوق العاده نازک) است. اشکال اصلی باتری لیپو قوام ضعیف و استحکام مکانیکی ضعیف است.
بر اساس ویژگیهای باتریهای بسته نرم لیتیوم پلیمری، باتریهای انعطافپذیر لیتیوم پلیمری به طور فزایندهای در تلفنهای همراه، لپتاپ، دستگاههای تلفن همراه و سایر زمینهها استفاده میشوند. با این حال، از آنجایی که رسانایی الکترولیت کلوئیدی (یا جامد) خیلی خوب نیست، مقاومت داخلی بیشتر است، کیسه باتری نرم لیتیوم پلیمری به ندرت در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود.
اما باتری های سافت پک باتری های لیتیوم پلیمری نیستند.
اگرچه باتری لیتیوم پلیمری نرم است، معمولاً به آن باتری نرم می گویند، اما از آنجایی که باتری نرم را می توان با الکترولیت مایع استفاده کرد، بنابراین باتری نرم، باتری لیتیوم پلیمری نیست. باتری نیسان یک باتری نرم است که از الکترولیت های مایع استفاده می کند.
خواه یک باتری بسته نرم لیتیوم پلیمری باشد یا مواد داخلی الکترولیت مایع باتری بسته نرم باشد، باتری های بسته نرم معمولاً از بسته بندی فیلم پلاستیکی آلومینیومی استفاده می کنند و ضخامت فیلم پلاستیکی آلومینیومی نازک است، استحکام مکانیکی ضعیف است، در صورت برخورد خودرو و سایر شرایط شدید، فیلم پلاستیکی آلومینیومی مستعد آسیب ناشی از تصادفات است، این کاربرد باتری های بسته نرم، نقص عمده خودروهای انرژی زا می باشد.
گزارش شده است که برای اطمینان از ایمنی، ماژول باتری خودروی برقی نیسان به پوسته آلومینیومی اضافه شده است. با این حال، نشت باتری هنوز یک نقص کشنده در باتری نیسان است و نیسان اغلب به عنوان “سلطان نشتی” برای متخصصین خودرو مورد انتقاد قرار می گیرد.
همچنین بخوانید: آشنایی با انواع باتری خودروهای برقی