باتری‌های لیتیوم‌-یون جایگزین مناسبی دارند؟

به گزارش مجله خبری نگار/ایتنا،باتری‌های لیتیوم‑یون به این زودی‌ها از خودرو‌های برقی محو نخواهند شد. این فناوری به لطف دهه‌ها توسعه، کاهش هزینه‌ها و اکوسیستم تولیدی بالغ، همچنان سلطان بی‌منازع بازار است.

با این حال، پژوهشگران و شرکت‌های باتری‌سازی به طور جدی به دنبال جایگزین‌هایی هستند که بتوانند وابستگی به لیتیوم و سایر مواد حیاتی را کاهش دهند، ایمنی را بهبود بخشند یا چگالی انرژی بسیار بالاتری ارائه کنند.

برخی از این فناوری‌ها هم‌اکنون در آستانه تولید انبوه قرار دارند و برخی دیگر هنوز در مرحله آزمایشگاهی باقی مانده‌اند. در این گزارش، به بررسی پنج فناوری باتری می‌پردازیم که می‌توانند آینده خودرو‌های برقی را دگرگون کنند.

به گزارش ایتنا و به نقل از Interesting Engineering، نخستین و نزدیک‌ترین جایگزین به لیتیوم‑یون، باتری‌های سدیم‑یون هستند. این فناوری بر اصول مشابهی کار می‌کند، اما لیتیوم را با سدیم جایگزین می‌کند؛ عنصری فراوان و در دسترس. شرکت‌های بزرگی مانند CATL و BYD در حال افزایش مقیاس تولید این باتری‌ها هستند و خودرو‌های الکتریکی مجهز به باتری سدیم‑یون در چین به بازار عرضه شده‌اند.

نقطه ضعف این فناوری، چگالی انرژی است. جدیدترین سلول‌های سدیم‑یون به حدود ۱۷۵ وات‑ساعت بر کیلوگرم می‌رسند، در حالی که باتری‌های LFP تا ۲۰۵ وات‑ساعت بر کیلوگرم و برخی از باتری‌های NMC حدود ۲۶۵ وات‑ساعت بر کیلوگرم را ارائه می‌دهند.

بنابراین، باتری‌های سدیم‑یون در حال حاضر برای خودرو‌های شهری کوچک‌تر و کاربرد‌های تجاری که حداکثر برد در اولویت نیست، گزینه‌های مناسبی محسوب می‌شوند.

دومین فناوری، باتری‌های حالت جامد هستند که الکترولیت مایع قابل اشتعال را با ماده‌ای جامد جایگزین می‌کنند. این فناوری ایمنی بهتر و چگالی انرژی بالقوه بالاتری را وعده می‌دهد، به ویژه اگر با آند‌های لیتیوم‑فلزی ترکیب شود.

چنین ویژگی‌هایی می‌توانند بدون افزایش قابل توجه اندازه یا وزن باتری، به برد رانندگی بیشتری منجر شوند.

با این حال، بزرگترین چالش، تولید انبوه است. سلول‌های حالت جامد همچنان گران‌قیمت هستند و تولید آنها در مقیاس وسیع دشوار است. آژانس بین‌المللی انرژی پیشرفت این فناوری را سریع ارزیابی می‌کند، اما تجاری‌سازی کامل همچنان یک چالش مهندسی قابل توجه محسوب می‌شود.

گفتنی است که خودروسازان بزرگی مانند تویوتا و نیسان سال‌هاست روی این فناوری سرمایه‌گذاری کرده‌اند و انتظار می‌رود اولین خودرو‌های برقی مجهز به باتری حالت جامد در اواخر دهه جاری وارد بازار شوند.

سومین فناوری، باتری‌های لیتیوم‑گوگرد هستند که می‌توانند جهش بزرگی در چگالی انرژی ایجاد کنند و آنها را به ویژه برای خودرو‌های با برد طولانی و حمل‌ونقل سنگین جذاب می‌سازند.

گوگرد فراوان و کم‌هزینه است و این شیمی می‌تواند به ازای هر واحد وزن، انرژی بسیار بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیوم‑یون متداول ذخیره کند.

آژانس بین‌المللی انرژی، لیتیوم‑گوگرد را به عنوان یکی از فناوری‌های نوظهور معرفی کرده که می‌تواند برای کاربرد‌های نیازمند چگالی انرژی فوق‌بالا مانند کامیون‌های برقی، قایق‌ها و هواپیما‌ها مفید باشد.

با این حال، دوام همچنان مانع بزرگی است. طراحی‌های فعلی از عمر چرخه محدود و سایر مشکلات فنی رنج می‌برند که تجاری‌سازی گسترده را با مانع مواجه کرده است. یک تحلیل تطبیقی اخیر نشان داده که طراحی‌های فعلی لیتیوم‑گوگرد با چالش‌های هزینه و زیست‌محیطی نیز رو‌به‌رو هستند.

چهارمین فناوری، باتری‌های منیزیم‑یون هستند که لیتیوم را با منیزیم جایگزین می‌کنند. منیزیم عنصری فراوان است که از نظر تئوری می‌تواند به ازای هر یون، دو الکترون را منتقل کند؛ در حالی که لیتیوم تنها یک الکترون را جابه‌جا می‌کند.

این ویژگی می‌تواند به باتری‌های مبتنی بر منیزیم اجازه دهد مقادیر قابل توجهی انرژی ذخیره کنند. منیزیم همچنین در دسترس‌تر است و می‌تواند فشار بر زنجیره تأمین لیتیوم را کاهش دهد.

مشکل اینجاست که یون‌های منیزیم برهمکنش قوی با مواد باتری دارند و توسعه الکترود‌ها و الکترولیت‌هایی که بتوانند در چرخه‌های مکرر به طور کارآمد شارژ و دشارژ شوند را دشوار می‌سازد.

در حال حاضر، فناوری منیزیم‑یون عمدتاً در مرحله پژوهش و توسعه باقی مانده است و هنوز برای خودرو‌های برقی تجاری آماده نیست.

پنجمین و آخرین فناوری، باتری‌های مبتنی بر روی هستند که به دلیل فراوانی، هزینه نسبتاً پایین و امکان طراحی ایمن‌تر، به ویژه سیستم‌های آبی که از الکترولیت‌های مبتنی بر آب استفاده می‌کنند، توجهات را به خود جلب کرده‌اند.

فناوری‌هایی مانند باتری‌های روی‑یون و روی‑هوا برای ذخیره‌سازی انرژی و سایر کاربرد‌ها در حال توسعه هستند. مزایای بالقوه آنها شامل هزینه کمتر مواد و کاهش خطر آتش‌سوزی است. چالش اصلی در چگالی انرژی و قابلیت شارژ مجدد است.

سیستم‌های مبتنی بر روی هنوز به بهبود‌های قابل توجهی نیاز دارند تا بتوانند با باتری‌های لیتیوم‑یون در خودرو‌های سواری رقابت کنند، جایی که وزن و حجم حیاتی هستند.

برخی پژوهش‌های پیشرفته روی باتری‌های روی، عمر چرخه چشمگیری نشان داده‌اند، اما بیشتر این فناوری‌ها در حال حاضر برای ذخیره‌سازی ثابت مناسب‌تر هستند تا خودروها.

بر اساس اعلام کارشناسان، آینده باتری‌ها احتمالاً یک برنده واحد نخواهد داشت که جایگزین لیتیوم‑یون در تمام انواع خودرو‌ها شود.

باتری‌های سدیم‑یون می‌توانند خودرو‌های شهری مقرون‌به‌صرفه را تغذیه کنند، باتری‌های حالت جامد می‌توانند خودرو‌های برقی ممتاز با برد طولانی را هدف قرار دهند و لیتیوم‑گوگرد می‌تواند در نهایت حمل‌ونقل سنگین‌تر را ممکن سازد.

شیمی‌های دیگر نیز ممکن است جایگاه خود را در کاربرد‌های تخصصی پیدا کنند. در حال حاضر، لیتیوم‑یون همچنان فناوری برتر باقی مانده است، اما مسابقه برای ساخت جانشین آن، یا جانشین‌های آن، از هم‌اکنون به شدت در جریان است.

گفتنی است که سرمایه‌گذاری جهانی در پژوهش باتری‌های نسل آینده به سرعت در حال افزایش است و انتظار می‌رود در دهه آینده شاهد تحولات شگرفی در این حوزه باشیم که می‌تواند صنعت خودرو‌های برقی را به طور کامل متحول کند.