تکامل باتری های خودرو: از سرب-اسید تا لیتیوم-یون
یکی از اجزای حیاتی یک وسیله نقلیه، باتری آن است. باتری نه تنها برای راه اندازی موتور، بلکه برای تامین انرژی تجهیزات الکتریکی خودرو نیز ضروری است. با پیشرفت تکنولوژی، انواع مختلفی از باتری های خودرو با ویژگی ها و کاربردهای مختلف وجود دارد. تکامل باتری‌های خودرو بر چهار حوزه کلیدی متمرکز شده است: بهبود عملکرد و ایمنی، افزایش برد، شارژ سریع‌تر و افزایش بهره‌وری در تولید انرژی الکتریکی.
تاریخچه و ریشه های باتری ماشین
شواهد تاریخی حاکی از آن است که اولین باتری ساخت بشر توسط اشکانیان که در حدود 200 سال قبل از میلاد در نواحی ایران و عراق کنونی ساکن بودند، استفاده شده است. در سال 1936، در حین حفاری برای خطوط راه آهن در نزدیکی بغداد، کارگران ظروف سفالی به اندازه تقریباً 12 سانتی متر را کشف کردند. پس از بررسی و آزمایش کامل مشخص شد که این شناورها عملکردی مشابه باتری های مدرن دارند.
در داخل این ظروف، یک میله آهنی به عنوان پایانه مثبت عمل می‌کرد که درون یک استوانه مسی به عنوان پایانه منفی قرار می‌گرفت و محلولی شبیه سرکه به عنوان الکترولیت استفاده می‌شد. بازتولید این نمونه ها در آزمایشگاه نشان داد که این تنظیم می تواند ولتاژی بین 1.1 تا 2 ولت ایجاد کند. به نظر می رسد اختراع باتری به حدود 2000 سال پیش برمی گردد.
تاریخچه باتری
اولین باتری تولید انبوه
تکامل باتری ماشین با اختراع اولین باتری توسط الساندرو ولتا در سال 1799 آغاز شد. او کشف کرد که مایعات خاصی می توانند جریان الکتریکی پیوسته را هنگامی که به عنوان رسانا استفاده می شوند تولید کنند. او سپس متوجه شد که فلزات مختلف می توانند الکترون ها را با سرعت های مختلف (پتانسیل ولتاژ) به دست آورند و آزاد کنند. در مرحله بعد، ولتا با قرار دادن دو الکترود ساخته شده از فلزات مختلف در محلول الکترولیت در یک ظرف (سلول) موفق به ایجاد اولین باتری شد. در نهایت، ولتا کشف کرد که ولتاژ را می توان با افزودن سلول های بیشتر حاوی الکترولیت و دو الکترود مختلف افزایش داد.
کار ولتا و دانشمندان دیگری مانند آنتونی کارلایل و ویلیام نیکلسون منجر به طراحی باتری خودرو شد. اولین باتری تولید انبوه توسط شیمیدانی به نام ویلیام کرویکشنک در سال 1802 طراحی و ساخته شد. ساختار باتری در سالهای بعد تکامل یافت اما این باتری ها قابل شارژ نبودند و یکبار مصرف بودند.
اولین باتری سرب اسیدی
در سال 1859، گاستون پلانته، فیزیکدان فرانسوی ، مسئله باتری های یکبار مصرف را با معرفی اولین باتری سرب-اسید حل کرد. پلانته از سرب و دی اکسید سرب به عنوان الکترودهای مثبت و منفی باتری خود استفاده کرد. این اولین باتری در تاریخ بود که از یک الکترولیت برای هر دو الکترود استفاده کرد. مهم‌ترین مزیت باتری‌های اسید سرب، توانایی آنها برای شارژ مجدد با معکوس کردن واکنش شیمیایی بود.
با وجود تمام محدودیت‌ها و کاستی‌ها، مانند مدت زمان کوتاه شارژ، این طراحی گامی بزرگ در تکامل باتری‌های خودرو بود. در سال 1881 یک شیمیدان فرانسوی به نام Camille Alphonse Faure اختراع پلانته را با ایجاد ساختار بهتری برای باتری بهبود بخشید. به جای طرح مارپیچ پلانته، فوور یک شبکه سربی ایجاد کرد که در آن صفحات دی اکسید سرب به صورت مکانیکی روی آن فشرده می شدند. این طراحی مبتکرانه اجازه می دهد چندین صفحه برای پتانسیل بالاتر و قدرت بیشتر ترکیب شوند و همچنین تولید انبوه را آسان تر و قابل توجیه تر می کند.
نقش استارت برقی در توسعه صنعت خودرو و حمل و نقل
تغییرات قابل توجهی در طرح های اولیه باتری پلنت از سال 1859 تا اوایل قرن بیستم ایجاد شد، اما اولین خودروی مجهز به استارت برقی در سال 1912 تولید و به بازار عرضه شد. قبل از این، وسایل نقلیه عمدتاً از موتورهای احتراق داخلی با استارت دستی استفاده می کردند. ، که چالش ها و مشکلات زیادی را برای رانندگان به همراه داشت. سیستم استارت برقی به رانندگان این امکان را می داد که موتور را با فشار دادن یک دکمه روشن کنند، که به طور قابل توجهی راحتی و کارایی رانندگی را بهبود بخشید و منجر به محبوبیت بیشتر باتری های سرب اسیدی شد.
تکامل باتری های لیتیومی
با گذشت زمان و با پیشرفت های تکنولوژیکی، باتری هایی با عملکرد بهتر ضروری شدند. در دهه 1990، فناوری باتری های لیتیومی به بازار معرفی شد که مزایای زیادی نسبت به باتری های سرب اسیدی داشت. باتری‌های لیتیومی سبک‌تر هستند، چگالی انرژی بیشتری دارند و از نظر شارژ و دشارژ چرخه عمر طولانی‌تری دارند. این فناوری به سرعت در خودروهای الکتریکی و هیبریدی مورد استفاده قرار گرفت و امکان توسعه خودروهایی با عملکرد بهتر و قیمت های مقرون به صرفه تر را فراهم کرد. امروزه باتری‌های لیتیومی، به‌ویژه انواع لیتیوم یونی، در بسیاری از خودروهای جدید و الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند و از اجزای کلیدی در طراحی و تولید خودروهای مدرن محسوب می‌شوند.
در زیر مروری کوتاه بر انواع رایج باتری های خودرو آورده شده است:
- باتری های سرب اسید:
این نوع باتری یکی از رایج ترین انواع باتری های خودرو است. باتری های سرب اسیدی در اصل به دو دسته تقسیم می شوند:
- باتری های معمولی: این باتری ها نیازی به نگهداری مداوم ندارند و از اسید و سرب تشکیل شده اند. آنها به طور گسترده ای در خودروهای قدیمی و جدید استفاده می شوند.
- باتری های AGM :در این باتری ها، جداکننده از جنس فایبرگلاس است که محلول الکترولیت را در خود جذب می‌کند. معمولاً برای وسایل نقلیه با ابزارهای الکتریکی و تجهیزات حساس تر استفاده می شوند. باتری های AGM از افزودن الیاف شیشه به الکترولیت برای بهبود عملکرد و کاهش نشت اسید استفاده می کنند.
- باتری های لیتیوم یونی:
باتری های لیتیوم یونی به دلیل وزن سبک و طول عمر بیشتر، در خودروهای الکتریکی و هیبریدی استفاده می شوند. این باتری ها در مقایسه با باتری های سرب اسید، ظرفیت ذخیره انرژی بیشتری دارند و زمان شارژ کوتاه تری دارند.
این باتری ها معمولا در خودروهای هیبریدی استفاده می شوند. آنها می توانند مقدار قابل توجهی انرژی الکتریکی را ذخیره کنند و طول عمر بیشتری نسبت به باتری های سرب اسیدی دارند.
- باتری های ژل یا اسید ژل:
این باتری ها که به عنوان باتری های سلول ژل نیز شناخته می شوند، نوعی باتری سرب اسیدی مهر و موم شده هستند که از الکترولیت ژل مبتنی بر سیلیس استفاده می کنند. این طراحی به باتری‌های ژل اجازه می‌دهد بدون نیاز به تعمیر و نگهداری، ضد نشت باشند و قادر به مقاومت در برابر تخلیه‌های عمیق بدون آسیب باشند. آنها معمولاً در مقایسه با باتری‌های اسید سرب سنتی با الکترولیت‌های مایع طول عمر بیشتری دارند و برای کاربردهای خودرو، دریایی و ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی مناسب هستند. به دلیل عملکرد قابل اعتماد و مقاومت در برابر ضربه و لرزش، محبوبیت بالایی در بین کاربران دارند. اگرچه باتری‌های ژل معمولاً گران‌تر از باتری‌های سرب اسیدی معمولی هستند و به شارژرهای تخصصی نیاز دارند، مزایای آنها - مانند نرخ تخلیه کم، ایمنی بیشتر و مقاومت در برابر دماهای بالا - آنها را به انتخابی ارجح برای کسانی تبدیل می‌کند که به دنبال راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی بادوام و کارآمد هستند.
- باتری های لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) :
این نوع باتری ماشین دلیل تحمل دمای بالا و طول عمر بالا در برخی خودروهای برقی و اتوبوس های برقی مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از نکات مثبت دیگر این باتری ها ایمنی بالای آنهاست.
ملاحظات برای انتخاب باتری مناسب برای وسیله نقلیه شما:
- ارزیابی نیازهای خودرو:
قبل از خرید باتری ماشین، ضروری است که نیازهای خاص وسیله نقلیه خود را در نظر بگیرید. به عنوان مثال، اگر وسیله نقلیه شما یک مدل جدیدتر با تجهیزات الکتریکی پیشرفته است، باید باتری با ظرفیت بالاتر نسبت به سایر خودروها انتخاب کنید.
- ظرفیت باتری و آمپر را بررسی کنید:
ظرفیت باتری به مقدار انرژی ذخیره شده در آن اشاره دارد و معمولاً بر حسب آمپر ساعت (Ah) بیان می شود. باید اطمینان حاصل کنید که ظرفیت باتری انتخابی با الزامات وسیله نقلیه شما و تجهیزات الکتریکی آن مطابقت دارد. به عنوان مثال، وسایل نقلیه با سیستم های صوتی قدرتمند یا سیستم های روشنایی اضافی ممکن است به باتری های با ظرفیت بالاتر نیاز داشته باشند.
- اندازه باتری را بررسی کنید:
باتری ها در اندازه های مختلف عرضه می شوند. قبل از خرید، اندازه باتری خودروی فعلی خود را شناسایی کنید و اطمینان حاصل کنید که ابعاد باتری جدید با فضای موجود در محفظه باتری خودرو شما سازگار است.
- شرایط آب و هوایی:
آب و هوای منطقه شما نیز می تواند بر عملکرد باتری ماشین تأثیر بگذارد. باتری های AGM معمولاً در دماهای مختلف در زمستان و تابستان عملکرد بهتری دارند. در مناطقی با دمای بالا، باتری‌های معمولی معمولاً طول عمر کمتری نسبت به سایر مناطق دارند. از دلایل اصلی کاهش طول عمر باتری ها در آب و هوای گرم می توان به استفاده طولانی مدت از تهویه مطبوع و افزایش تبخیر الکترولیت باتری خودرو اشاره کرد.
- ویژگی های ایمنی:
برخی از باتری ها دارای ویژگی های ایمنی خاصی هستند که می توانند در صورت خطر از آسیب دیدن خودرو جلوگیری کنند. به عنوان مثال، باتری های AGM خطر نشت اسید را کاهش می دهند و به طور کلی ایمن تر هستند.
- ملاحظات مالی:
برای خرید باتری ماشین باید بودجه تعیین کنید. اگرچه باتری‌های لیتیوم یونی گران‌تر هستند، اما دوام بیشتری دارند و طول عمر بیشتری دارند، که ممکن است در دراز مدت، آنها را مقرون به صرفه‌تر کند. باتری های سرب اسید معمولاً مقرون به صرفه تر هستند اما طول عمر کمتری دارند.
- گارانتی و خدمات پس از فروش:
گارانتی های باتری ماشین عمدتاً ضمانت های تعویض برای یک دوره مشخص به دلیل ایرادات ساخت هستند. مدت زمان گارانتی معمولا توسط سازنده بر اساس کیفیت باتری، قیمت آن و البته شرایط آب و هوایی تعیین می شود. به طور کلی، باتری ماشین در مناطق معتدل به طور متوسط بین 12 تا 18 ماه گارانتی دارند، در حالی که در مناطق سردسیر، تا سه سال (یا بیشتر) می توان گارانتی داشت. با این حال، در مناطق گرمسیری، ضمانت باتری خودرو معمولاً به حداکثر 12 ماه محدود می شود.
- نتیجه گیری:
انتخاب باتری ماشین مناسب به میزان قابل توجهی به عملکرد بهتر و طول عمر خودرو کمک می کند. همیشه بهتر است باتری ها را از برندهای معتبر با گارانتی مناسب خریداری کنید. اطلاع از نظرات دیگران به خصوص متخصصان برق خودرو نیز می تواند در انتخاب باتری مناسب کمک زیادی کند.
تیتر مطلب در این قسمت نمایش داده می شود تیتر مطلب