با شتاب گرفتن صنعت خودروهای الکتریکی (EV)، نقش کبالت در باتری‌های EV مورد بررسی شدید قرار گرفته و نوآوری را تحت تاثیر قرار داده است. کبالت، یک جزء حیاتی در بسیاری از باتری‌های لیتیوم یون EV، مزایای متعددی را ارائه می‌کند، اما چالش‌های زیست‌محیطی، اخلاقی و مرتبط با هزینه را نیز به همراه دارد. در این مقاله، رابطه پیچیده بین باتری‌های کبالت و EV و مزایا و معایب آن را بررسی می‌کنیم و به دنبال جایگزین‌های پایداری هستیم که آینده‌ای پاک‌تر را برای حمل و نقل الکتریکی نوید می‌دهند.
خودروهای الکتریکی (EV) در سال‌های اخیر راه طولانی را پیموده‌اند، اما هنوز کاستی‌های متعددی در باتری‌های آنها وجود دارد. محدوده رانندگی محدود، زمان شارژ طولانی و هزینه بالای آنها از مهم ترین مسائل در مورد باتری خودروهای الکتریکی هستند.
با پیشرفت فناوری باتری، احتمالاً این مشکلات برطرف خواهد شد. پروژه COBRA با بودجه اتحادیه اروپا قرار است با توسعه فناوری باتری لیتیوم یونی (Li-ion) بدون کبالت برای نسل بعدی خودروهای الکتریکی، دنیای خودروهای الکتریکی را متحول کند.
به گفته جوردی جاکاس Jordi Jacas، هماهنگ کننده پروژه COBRA هدف این پروژه معرفی اجزای پیشرفته و پایدار برای افزایش ایمنی و عملکرد، هم در سطح سلول و هم در پک باتری است.
جاکاس، محقق ارشد مؤسسه تحقیقات انرژی کاتالونیا، توضیح داد: «هدف ما توسعه فناوری باتری‌های لیتیوم یونی جدید است که بر بسیاری از کاستی‌های فعلی باتری‌های EV غلبه کند.
مزایای کبالت در باتری های برقی
نقش کبالت یا Co در افزایش چگالی انرژی و تضمین پایداری در باتری‌های لیتیوم یون غیرقابل انکار است و یک عنصر مهم در تولید کاتد باتری لیتیوم یون است و یک چهارم هزینه باتری را تشکیل می دهد. این باتری ها بر حرکت یون های لیتیوم (Li+) بین آند و کاتد حاوی کبالت تکیه دارند و همچنین کبالت چندین عملکرد حیاتی را انجام می دهد:
- چگالی انرژی افزایش یافته: کبالت، به ویژه هنگامی که با نیکل ترکیب می شود، به چگالی انرژی بالاتر در باتری های لیتیوم یون کمک می کند. این به معنی مسافت رانندگی طولانی تر و عملکرد بهبود یافته برای وسایل نقلیه الکتریکی است.
- پایداری و طول عمر: کاتدهای مبتنی بر کبالت به دلیل پایداری و عمر سیکل طولانی مشهور هستند. این بدان معنی است که باتری های EV می توانند قبل از کاهش قابل توجه ظرفیت، سیکل های شارژ و دشارژ متعددی را پشت سر بگذارند.
- پایداری ولتاژ: باتری های حاوی کبالت خروجی ولتاژ پایدار را در طول عمر خود حفظ می کنند که برای عملکرد ثابت و قابل اعتماد خودروهای الکتریکی بسیار مهم است.
- شارژ سریع: این باتری ها می توانند نرخ شارژ بالایی را تحمل کنند که امکان شارژ سریع و کاهش زمان مورد نیاز برای شارژ مجدد باتری خودروهای برقی را فراهم می کند.
از آنجایی که کبالت کمیاب است و قیمت‌ها به شدت نوسان دارد، دانشمندان به دنبال راه‌هایی برای حذف آن از باتری‌ها هستند.
COBRA بعلت نیاز به ایجاد مواد پایدار بدون کبالت Co-free با عملکرد کاتد بهبود یافته و سیستم مدیریت باتری پیشرفته برای ایمنی و عملکرد بهتر باتری بوجود آمد.
ترکیب این دو ویژگی منجر به ایجاد COBRA که در جهت توسعه یک فناوری ابتکاری کاتد بدون کبالت Co-free بود شد و در مقایسه با الکترودهای فعلی و در ولتاژ بالا با ظرفیت افزایش یافته انجام شد. تیم تحقیقاتی همچنین کامپوزیت های مبتنی بر سیلیکون را که از بازیافت جریان زباله به دست آمده بودند برای عملکرد طولانی مدت در آند بررسی کردند. تمرکز این تیم تحقیقاتی بر پایداری و ایمنی الکترولیت بود.
هدف COBRA بهبود پایداری و عملکرد و در عین حال کاهش هزینه ها در سطح سلول نیز بود. این تیم تحقیقاتی پژوهشی در سطح پک باتری انجام دادند که شامل ادغام حسگرها، توسعه یک سیستم مدیریت باتری پیشرفته و آزمایش و اعتبارسنجی سیستم بود.
جاکاس تاکید کرد که هدف نهایی COBRA دستیابی به هزینه بسیار خاص حداکثر 90 یورو در هر کیلووات ساعت است. او گفت: «ما مطالعات تحلیل سیکل حیات را در مراحل اولیه معرفی کرده‌ایم تا از حداقل تأثیر منفی بر محیط‌زیست اطمینان حاصل کنیم.
جاکاس افزود: «COBRA با هدف بهبود همه جنبه‌های باتری‌ها، ایجاد فناوری رقابتی باتری از منظر عملکرد، هزینه و جوانب محیطی و اجتماعی است.
اهداف اصلی پروژه
جاکاس توضیح داد: «اهداف اصلی پروژه اجرای سریع راه‌اندازی تولید انبوه نسل جدید باتری های لیتیوم یونی b3، افزایش ایمنی باتری لیتیوم یونی، افزایش تراکم انرژی در سطح سلول و موارد دیگر خواهد بود.»
پروژه COBRA با ایمن تر و کارآمدتر کردن باتری ها و کاهش اثرات زیست محیطی آنها، آینده امیدوار کننده ای را برای خودروهای الکتریکی ارائه می دهد.
نگرانی های مربوط به کبالت در باتری های EV
در حالی که کبالت مزایای غیر قابل انکاری ارائه می دهد، نگرانی های زیست محیطی قابل توجه، معضلات اخلاقی و ملاحظات مربوط به هزینه را نیز به همراه دارد، از جمله:
- تاثیرات زیست محیطی: بخش قابل توجهی از عرضه کبالت جهان در مناطقی استخراج می شود که مقررات زیست محیطی ضعیفی دارند که منجر به تخریب زیستگاه ها و آلودگی محیط می شود. استخراج کبالت با اثرات نامطلوب اکولوژیکی از جمله آلودگی خاک و آب همراه است.
- نگرانی های اخلاقی: استخراج کبالت، به ویژه در جمهوری دموکراتیک کنگو (DRC)، با نقض حقوق بشر و شرایط ناامن کار مرتبط است. همین مسئله نگرانی هایی را در مورد منبع کبالت برای باتری های EV ایجاد می کند.
- هزینه و خطرات زنجیره تامین: کبالت نسبتا گران است و قیمت آن به دلیل اختلالات زنجیره تامین و عوامل ژئوپلیتیکی می تواند نوسان داشته باشد. این موضوع می تواند بر مقرون به صرفه بودن تولید باتری EV تأثیر بگذارد.
بررسی جایگزین های پایدار
در پاسخ به این چالش ها، صنعت EV به طور فعال در حال بررسی طرح های جایگزین است، مانند:
- کاتدهای با نیکل بالا: تولید کنندگان باتری در حال افزایش محتوای نیکل در کاتدها برای کاهش اتکا به کبالت هستند. کاتدهای با نیکل بالا، مانند NCM و NCA، بین چگالی انرژی و هزینه تعادل برقرار می کنند.
- فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4): باتری های LiFePO4 کاملاً بدون کبالت هستند و به دلیل ایمنی و عمر سیکل طولانی شناخته شده اند. آنها به طور فزاینده ای در خودروهای برقی که ایمنی و پایداری در آنها اهمیت دارد مورد استفاده قرار می گیرند.
- باتری های حالت جامد: فناوری باتری های حالت جامد به عنوان یک جایگزین امیدوارکننده در حال ظهور است. این باتری ها الکترولیت مایع را با یک ماده جامد جایگزین می کنند و نیاز به کبالت را کاهش می دهند یا از بین می برند و ایمنی و چگالی انرژی را افزایش می دهند.
- باتری‌های لیتیوم تیتانات (Li-Ti): باتری‌های لیتیوم تیتانات، به طور خاص لیتیوم تیتانات، یکی دیگر از گزینه‌های بدون کبالت هستند. آنها به دلیل قابلیت شارژ سریع، عمر سیکل طولانی و عملکرد خوب در دماهای پایین، البته با چگالی انرژی کمی کمتر در مقایسه با سایر باتری‌های لیتیوم یون، شناخته شده‌اند.
- باتری‌های یون سدیم: باتری‌های یون سدیم یک جایگزین نوظهور هستند که حاوی کبالت نیستند و می‌توانند برای کاربردهای خاصی مناسب باشند، هرچند که دارای برخی تغییرات عملکردی هستند.
نتیجه گیری
به طور خلاصه، رابطه بین کبالت و باتری های EV که با تعادل ظریف بین مزایا و چالش ها مشخص می شود پیچیده است. در حالی که کبالت نقش مهمی در قدرت بخشیدن به انقلاب EV ایفا کرده است، تعهد صنعت به پایداری و منابع اخلاقی باعث اکتشاف باتری های جایگزین در علم شیمی و شیوه های بازیافت شده است. با ادامه نوآوری، امید به ایجاد آینده ای پاک تر و مقرون به صرفه تر برای سیستم حمل و نقل الکتریکی است.
