باتری‌های جدید خودرو که می‌توانند انقلابی در وسایل نقلیه الکتریکی ایجاد کنند

محققان در حال آزمایش طرح‌های مختلفی هستند که بتوانند هزینه‌ها را کاهش دهند، برد خودرو را افزایش دهند و پیشرفت‌های دیگری را ایجاد کنند.

تکامل الکترود

باتری ها در واقع مخازن شیمیایی هستند که با انتقال یون های باردار از یک طرف (آند) به طرف دیگر (کاتد) از طریق برخی مواد میانی (الکترولیت) در حالی که الکترون ها در یک مدار بیرونی جریان دارند، کار می کنند. شارژ مجدد باتری به معنای بازگرداندن یون ها به آند است.

امروزه اکثر خودروهای الکتریکی با برخی از انواع باتری های لیتیوم یونی کار می کنند. لیتیوم سومین عنصر سبک در جدول تناوبی است و دارای یک الکترون بیرونی فعال است که یون های آن را حامل انرژی بزرگی می کند. یون های لیتیوم بین یک آند که معمولاً از گرافیت ساخته می شود و یک کاتد ساخته شده از یک اکسید فلزی حرکت می کنند که هر دو میزبان یون های لیتیوم بین لایه های اتمی هستند. الکترولیت معمولاً یک مایع آلی است.

باتری‌های لیتیوم یونی از زمان اولین محصول تجاری در سال 1991 بهبود زیادی یافته‌اند: چگالی انرژی سلول تقریباً سه برابر شده است، در حالی که قیمت‌ها کاهش یافته است .سدر می گوید: «لیتیوم یون یک رقیب بزرگ است. و با وجود زمینه های بیشتر برای بهبود، برخی می گویند لیتیوم یون برای مدت طولانی پادشاه خواهد بود. وینفرید ویلکه، دانشمندی که اخیراً در لوس آلتوس کالیفرنیا بازنشسته شده و سرپرست پروژه تحقیقات باتری IBM از سال 2009 تا 2015 بوده است، می‌گوید: «فکر می‌کنم یون لیتیوم برای دهه‌ها فناوری نیروبخش خودروهای الکتریکی خواهد بود، زیرا به اندازه کافی خوب است.

بیشتر پیشرفت‌ها در لیتیوم یون تاکنون ناشی از تغییرات در مواد کاتد بوده که منجر به ایجاد چندین نوع سلول تجاری شده است. یکی از آنها که در لپ تاپ ها محبوب است، از اکسید کبالت لیتیوم استفاده می کند که باتری های نسبتا سبک اما گران قیمتی تولید می کند. برخی دیگر که در بسیاری از خودروها محبوب هستند، از ترکیبی از نیکل و کبالت با آلومینیوم یا منگنز به عنوان تثبیت کننده (NCA و NCM) استفاده می کنند. در برخی موارد هم لیتیوم فسفات آهن (LFP) وجود دارد که بدون کبالت و نیکل گران قیمت عمل می کند، 

زمینه برای تغییرات بیشتر در کاتد وجود دارد. در باتری‌های  NCM، محققان کبالت گران‌تر را به نفع نیکل، که چگالی انرژی بالاتری نیز فراهم می‌کند، جایگزین میکنند. این امر منجر به تولید کاتدهای تجاری باتری NCM811 با 80 درصد نیکل شده است و محققان اکنون روی NCM955 با 90 درصد نیکل کار می کنند.

در همین حال، در آند، یکی از گزینه‌های رایج تعویض گرافیت با سیلیکون است، ماده‌ای که می‌تواند ده برابر بیشتر اتم‌های لیتیوم را در هر وزن ذخیره کند. چالش این است که سیلیکون در طول چرخه‌های شارژ-دشارژ حدود 300 درصد منبسط و منقبض می‌شود و فشار ساختاری زیادی بر باتری وارد می‌کند و طول عمر آن را محدود می‌کند.

حتی بهتر از آند سیلیکون، خود لیتیوم است. مهندس شیمی برایان کانینگهام در دفتر فناوری‌های خودرو وزارت انرژی در آرلینگتون ویرجینیا می‌گوید: «شما هیچ ماده‌ای هدر ندادید». علاوه بر کاهش وزن، این می تواند شارژ را تسریع کند، زیرا انتظاری برای شکاف یون های لیتیوم در بین لایه ها وجود ندارد (این تغییر، از لحاظ فنی، طراحی را به جای باتری لیتیوم یونی، به یک باتری لیتیوم-فلزی تبدیل می کند). اما یک مشکل بزرگ در مورد این استراتژی این است که در طول شارژ مجدد، لیتیوم تمایل دارد به طور ناموزون روی آند رسوب کند، با نقاط داغی که گره هایی به نام دندریت را تشکیل می دهند، که می توانند از طریق الکترولیت به بیرون برسند و باتری را اتصال کوتاه کنند.

باتری‌های مبتنی بر لیتیوم با الکترودهای بهتر، در تئوری، می‌توانند به چگالی انرژی عظیمی دست یابند، اما اغلب از نظر طول عمر سلولی یا ایمنی، دارای معاوضه‌هایی هستند. سال گذشته، یک گروه از محققان در چین، سلولی با آند فلزی لیتیوم (و نوعی کاتد غنی از لیتیوم) را گزارش کردند که در آزمایشگاه به بالاتر از kg^-1 700 Wh  رسید. شرکت نوپا این گروه،WeLion New Energy  در پکن، قصد توسعه و تجاری سازی این باتری همراه با گزینه های دیگر را دارد. یکی دیگر از ایده‌هایی که چگالی انرژی بالا را ارائه می‌کند، باتری سولفور لیتیوم (LiS) با آند لیتیوم-فلز و کاتد گوگرد است. اما گوگرد با لیتیوم واکنش نشان می دهد و محلولی تولید می کند که می تواند روی آند رسوب کند و باتری را از بین ببرد. سدر می گوید LiS "  سی سال است که آزمایش شده است و هنوز هم چالش های بزرگی دارد."

با وجود چنین مشکلات آزار دهنده برای باتری‌ها با الکترودهای بهتر، بسیاری می‌گویند فریبنده‌ترین راه‌حل، جایگزینی الکترولیت مایع با یک جامد است.

ایده جامد

ایده باتری های حالت جامد، استفاده از یک پلیمر سرامیکی یا جامد به عنوان الکترولیت است که میزبان عبور یون های لیتیوم است اما به جلوگیری از تشکیل دندریت کمک می کند. این نه تنها استفاده از آند تمام لیتیومی را آسان‌تر می‌کند ( با مزیت چگالی انرژی همراه ) بلکه خلاص شدن از شر مایع آلی قابل اشتعال همچنین به معنای از بین بردن خطری است که می‌تواند باعث آتش‌سوزی شود. معماری سلولی باتری‌های حالت جامد ساده‌تر از سلول‌های مبتنی بر مایع است. و باتری‌های جامد، از نظر تئوری، هم در دماهای پایین (چون مایعی برای چسبندگی بیشتر در زمان سرد وجود ندارد) و هم در دماهای بالا (زیرا رابط‌های الکترودها در هنگام گرما زیاد آسیب نمی‌بینند) بهتر کار می‌کنند.

اما چالش‌هایی وجود دارد: به‌ویژه، نحوه ایجاد یک رابط صاف و بی‌عیب بین لایه‌ها. همچنین، انتقال یون ها از طریق یک جامد نسبت به مایع کندتر است و قدرت محدودتری دارد. و باتری های حالت جامد نیاز به یک فرآیند تولید کاملاً جدید دارند. سدر می‌گوید: "از همه چیزهایی که می‌بینیم، گران‌تر خواهند بود".

برخی از شرکت های باتری سازی با حالت جامد در حال حرکت به جلو هستند. به عنوان مثال،Solid Power   مستقر در کلرادو در لوئیزویل (همکاری با خودروسازان BMW و فورد) ، تولید آزمایشی یک سلول حالت جامد با آند مبتنی بر سیلیکون را آغاز کرده است که به گفته آنها به  390 Wh kg^–1 می رسد، وCalifornia-based QuantumScape  (که قراردادهایی با سازندگان از جمله فولکس واگن امضا کرده است) دارای یک باتری حالت جامد است که از مزایای آند لیتیومی با وزن کمتر و طراحی بدون آند برخوردار است. فلز لیتیوم در سمت آند جمع می شود، اما برای شروع نیازی به صفحه لیتیومی وجود ندارد.  برخی از این جزئیات باتری اختصاصی هستند. QuantumScape برخی از داده های عملکرد نمونه اولیه را منتشر کرده است، اما نمی گوید الکترولیت آن از چه چیزی ساخته شده است یا چگالی انرژی اولین محصول تجاری مورد نظرش چیست. سدر می‌گوید به طور کلی، چگالی انرژی بالاتر برای باتری‌های حالت جامد "امروزه در هر مقیاس تجاری ثابت نشده است".

به نظر می رسد خودروهای واقعی که با باتری های حالت جامد کار می کنند همیشه در درازمدت است: به عنوان مثال، تاریخ هدف اولیه تویوتا برای تجاری سازی آنها در اوایل دهه 2020 اکنون به اواخر دهه 2020 انتقال یافته است. سیدر هشدار می‌دهد که وقتی صحبت از باتری‌ها می‌شود، «تویوتا در ده سال گذشته چیزهای زیادی گفته است که هیچ‌کدام به نتیجه نرسیده‌اند.

کارمندی در کارگاهی در نانجینگ چین روی سیستم باتری خودروهای الکتریکی کار می کند

کاهش قیمت

از آنجایی که تلاش برای یافتن باتری‌های معجزه‌آسا که انرژی بیشتری دارند، ادامه دارد، برخی از دانشمندان استدلال می‌کنند که مهم‌ترین نگرانی، نیاز به انتخاب یک باتری شیمیایی است که در دراز مدت ارزان و پایدار باشد.

سدر می‌گوید: «بزرگ‌ترین چالش‌ها مربوط به منابع است. برای مقایسه، استخراج جهانی لیتیوم امروزی حدود 130000 تن در سال است، در حالی که کبالت نزدیک به 200000 تن و نیکل 3.3 میلیون تن است - که مقدار مورد نیاز برای همه مقاصد، از جمله باتری های غیر EV ، برای نیکل، فولاد ضد زنگ ، انتخاب فلزاتی را که کمیاب یا گران نیستند و در هنگام استخراج آسیب زیادی به محیط زیست وارد نمی‌کنند را مهم می‌سازد.

شاید هدف نهایی خلاص شدن از شر خود لیتیوم باشد – فلزی که به لطف افزایش تقاضا و عرضه، شاهد نوسانات شدید قیمت بوده است. برای مثال، در سال‌های 2022-2023، قیمت‌های لیتیوم کربنات برای مدت کوتاهی شش برابر بیشتر از حد معمول افزایش یافت.

محققان روی جایگزینی لیتیوم با بسیاری از حامل های دیگر از جمله منیزیم، کلسیم، آلومینیوم و روی کار کرده اند، اما کار روی سدیم پیشرفته ترین آنهاست. سدیم دقیقاً زیر لیتیوم در جدول تناوبی قرار دارد و اتم‌های آن را سنگین‌تر و بزرگ‌تر می‌کند، اما خواص شیمیایی مشابهی دارد. این بدان معناست که بسیاری از درس‌های توسعه و ساخت باتری‌های لیتیومی را می‌توان به سدیم کپی کرد. و منبع سدیم بسیار آسان‌تر است: در پوسته زمین حدود 1000 برابر بیشتر از لیتیوم فراوان است. سدر که فکر می‌کند باتری‌های سدیم می‌توانند حدود 50 دلار در هر کیلووات ساعت قیمت داشته باشند، می‌گوید: «سدیم به‌طور باورنکردنی فراوان است.

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00325-z