باتری حالت جامد: نسل بعدی باتری‌های خودروهای الکتریکی

تکنولوژی باتری ‌ها در دنیای امروز جایگاه بی‌قیدوشرط دارد و از وسایل کوچک گرفته تا خودروهای الکتریکی، همه از آن بهره می‌برند. در حوزه خودروهای الکتریکی، اهمیت باتری‌ها به عنوان یک منبع تغذیه‌ مشهود است. اما چالش‌ها و مسائل ایمنی که الکترولیت‌های مایع در باتری‌ها ایجاد کردند.، نیاز به نوآوری و پیشرفت در تکنولوژی باتری‌ها را بیش از پیش اهمیت بخشیده‌اند.

در دنیای حال حاضر، باتری‌های الکتریکی از الکترولیت‌های مایع استفاده می‌کنند که از یک سو انرژی زیادی را ارائه می‌دهند، اما از سوی دیگر، خطراتی نظیر خطر اشتعال الکترولیت و عمر محدود را به همراه دارند. در خودروهای الکتریکی، این خطرات به ویژه مهم می‌شوند.

آیا باتری‌ها در مسیر تکامل خود قدم دیگری رو به جلو خواهند برداشت؟

جواب می‌دهیم: بله، با باتری‌های حالت جامد.

این تکنولوژی جدید از الکترولیت‌های جامد بهره می‌برد که ایمنی بالاتری دارند. به عبارت بهتر ؛ نگران اشتعال آن‌ها نباشید. باتری‌های حالت جامد خطر اشتعال را ندارند!

الکترولیت مایع vs الکترولیت جامد

باتری‌های حالت جامد در خودروهای الکتریکی نسبت به باتری‌های مایع ترجیح داده می‌شوند.چرا ؟

1. ایمنی بیشتر: یکی از مسائل اصلی مرتبط با باتری‌، خطر اشتعال الکترولیت‌های مایع در صورت حادثه است. باتری‌های حالت جامد از الکترولیت‌های جامد استفاده می‌کنند که قابل اشتعال نیستند، بنابراین ایمنی بیشتری دارند.
2. طول عمر بیشتر: باتری‌های حالت جامد معمولاً دارای عمر مفید بیشتری هستند. این به معنای کاهش تعویض و تعمیرات مکرر باتری و در نتیجه کاهش هزینه‌های نگهداری می‌باشد.
3. توان خنک‌کنندگی بهتر: باتری‌های حالت جامد می‌توانند حرارت را بهتر از باتری‌های مایع تخلیه کنند. این به این معناست که در شرایط بار زیاد و دمای بالا، باتری‌های حالت جامد دچار گرمای زیاد نمی‌شوند و عمر آنها حفظ می‌شود.
4. چگالی انرژی بالاتر: باتری‌های حالت جامد می‌توانند چگالی انرژی بالاتری داشته باشند. این به این معناست که در یک حجم مشخص، می‌توانند انرژی بیشتری ذخیره کنند و از این طریق محدوده‌ی رانندگی خودروهای الکتریکی را افزایش دهند.
5. کارکرد در دماهای پایین: باتری‌های حالت جامد معمولاً دارای عملکرد بهتر در دماهای پایین می‌باشند. این ویژگی مهم برای استفاده در مناطق سردسیر یا در زمستان است.

پیشرفت باتری‌های حالت جامد به کمک سولفید

باتری‌های حالت جامد هم نیز چالش‌هایی دارند که پژوهشگران در حال تلاش برای یافتن راهکارهایی به منظور حل این مسائل هستند.یکی از این مسائل تنش‌های مکانیکی در نقاط تماس الکترود و الکترولیت می‌باشد و  یکی از این راهکارها، استفاده از مواد کریستالی سولفیدی است.

چرا که این تنش‌های مکانیکی می‌توانند به باتری آسیب برسانند و عملکرد آنها را تحت تاثیر قرار دهند. با استفاده از مواد کریستالی سولفیدی، تماس بین الکترودها و الکترولیت بهبود می‌یابد.

همچنین، این مواد سولفیدی دارای هدایت یونی بهتری نسبت به برخی مواد دیگر هستند. این به معنای افزایش سرعت حرکت یون‌ها درون باتری و افزایش توان باتری می‌باشد. در نهایت، مواد سولفیدی دارای دمای ذوب سطحی کمتری هستند. این به این معناست که آنها در شرایط مختلف به راحتی می‌توانند متراکم شوند و تغییرات حجمی کمتری نسبت به باتری‌های دیگر ایجاد کنند. این خصوصیت از اهمیت بسیاری در باتری‌های حالت جامد برخوردار است چرا که می‌تواند به افت توان باتری در دماهای مختلف و در شرایط مختلف جلوگیری کند.

همین‌طور محققان ژاپنی موفق به کشف نوعی الکترولیت جامد شدند که کارایی وهدایت یونی بسیار زیادی دارد.

توسعه خودروهای الکتریکی به رهبری چهار شرکت بزرگ

تویوتا

سال‌هاست که بازار باتری‌های حالت جامد را پایش می‌کند و بیشترین تعداد پتنت مرتبط با این فناوری را در اختیار دارد. اخیراً اعلام کرده است که تا سال 2030 بیش از 13.5 میلیارد دلار را برای تولید نسل بعدی باتری‌های حالت جامد خود صرف خواهد کرد. این باتری‌ها از نظر بهره‌وری انرژی، سریع‌ترین زمان شارژ و کاهش قابلیت اشتعال بهبود یافته‌اند.

شرکت کوانتوم‌اسکیپ (QuantumScape Corporation)

در حال توسعه و برنامه‌ریزی برای تجاری‌سازی باتری‌های حالت جامد لیتیوم-فلز برای خودروهای الکتریکی است. این شرکت یکی از پیشروها در زمینه باتری‌های حالت جامد بوده و با حمایت از بیل گیتس، فولکس‌واگن و SAIC Motors شناخته می‌شود. این باتری‌ها از نظر شارژ با چگالی انرژی بالا برای خودروهای الکتریکی مناسب هستند.

باتری‌های کوانتوم‌اسکیپ، نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون که برای شارژ از 10% تا 80% نیازمند 60 دقیقه هستند، از 0% تا 80% را در کمتر از 15 دقیقه شارژ می‌کنند. علاوه بر این، این باتری‌ها نرخ نگهداری انرژی متوسط بیش از 90% و عمری بیش از 1000 چرخه را خواهند داشت.

سولید پاور Solid Power

مقیاس‌پذیری یکی از مهمترین موانع برای باتری‌های حالت جامد است. Solid Power، یک توسعه‌دهنده باتری‌های حالت جامد با اعتبار صنعتی، تولید رول به رول را معرفی کرده است تا فرآیند تولید خود را افزایش دهد. Solid Power به شرکای خود کمک کرده است تا از بازسازی هزینه‌بر واحدهای موجود خود جلوگیری کنند. فورد و گروه BMW با استفاده از راهکارهای باتری با انرژی بالا و هزینه کم Solid Power در خودروهای الکتریکی آینده تعهد داده‌اند.

سامسونگ

سامسونگ باتری‌های حالت جامد با عمر بالا و عملکرد بالا معرفی کرده است. نمونه اولیه بخش باتری آن می‌تواند یک خودروی الکتریکی را تا 800 کیلومتر با یک شارژ تأمین کند و بیش از 1000 بار شارژ واقع شده است. تولید انبوه این باتری‌ها از سال 2027 شروع خواهد شد.

آیا باتری‌های حالت جامد می‌توانند باتری‌های لیتیوم-یون را جایگزین کنند؟

شرکت‌های اتومبیل‌سازی اصلی مانند تویوتا، فولکس‌واگن، فورد و بی‌ام‌و در این فناوری سرمایه‌گذاری کرده‌اند. با این حال، باتری‌های حالت جامد در حال حاضر تنها به تعداد کمی در آزمایشگاه‌ها تولید می‌شوند. به دلیل هزینه‌های بالا و نبود فناوری کافی.

 اما با حل این مسائل می‌توان شاهد رشد و توسعه باتری حالت جامد و جایگزینی آن با باتری لیتیوم یون بود.