باتری خودروهای برقی؛ انواع و تکنولوژی شارژ آنها

خودروهای برقی و هیبرید، توانایی حرکتی خود را مستقیما مدیون وجود باتری‌های فشرده و بسیار پیشرفته‌ای هستند که حرکت تمام‌الکتریکی یا کاهش قابل توجه مصرف سوخت را برای آن‌ها ممکن می‌سازند.

اما خودروهای هیبرید (Hybrid) و مخصوصا الکتریکی باتری‌دار (EV یا BEV) آن‌گونه که انتظارش را داشتیم مورد پذیرش عموم (حداقل در ایران) قرار نگرفت. داستان به حجم محدود انرژی الکتریکی قابل ذخیره در باتری خودروهای برقی امروزی بازمی‌گردد. با وجود پیشرفت چشمگیر در طراحی و ساخت باتری‌های جدید، برد مفید خودروهای برقی امروزی هنوز به اندازه توانایی‌های حرکتی خودروهای بنزینی مورد پذیرش نیست.

تاریخچه باتری خودروهای برقی

شاید جالب باشد بدانید که خلق اولین باتری به سال‌های ابتدایی قرن ۱۹ام بازمی‌گردد. در نتیجه با ورود به قرن ۲۰ میلادی، جای تعجب نداشت که تلاش برای ساخت خودروهای بسیار ساده الکتریکی مجهز به باتری، بسیار فراگیرتر از خودروهای احتراق داخلی درون‌سوزی باشد که ساخت آن‌ها در آن دوران بسیار پیچیده و بازده آن‌ها بسیار پایین بود.

بزرگ‌ترین مشکل باتری خودروهای برقی از همان ابتدای قرن ۱۹، چگالی انرژی بسیار پایین یا توان بسیار کم در ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی بود که موجب برد بسیار کم و غیر کاربردی خودروهای الکتریکی اولیه شد، ضمن آن که باتری‌های آن دوران قابلیت شارژ مجدد نداشتند.

اما از سه دهه پیش (دهه ۹۰ میلادی)، به‌خصوص ده سال گذشته، تکنولوژی ساخت باتری‌های مدرن به کمک متریال خاص و نایاب معدنی تا جایی بهبود یافت که حالا با نسل جدیدی از باتری‌ها مواجه هستیم که چگالی انرژی ذخیره‌شده در آن به اندازه‌ای معقول است که هم از دیدگاه ابعاد در قالب خودروهای تولید انبوه بگنجد و هم توانایی ارائه میزان انرژی الکتریکی مورد نیاز برای طی مسافت ۳۰۰ تا نزدیک به هزار کیلومتر را داشته باشد.

به کمک این نسل جدید از باتری‌ها، خودروهای برقی توانستند کاربردی، دارای برد مفید قابل توجه و مناسب برای استفاده روزمره جلوه کنند.

انواع باتری خودروهای برقی

به‌طور کلی باتری‌های رایج به‌کاررفته در صنعت خودروسازی جهان را می‌توان به دو گروه کلی لیتیوم-یون (Li-Ion) و سدیم-یون (Na-Ion) دسته‌بندی کرد. توجه داشته باشید که نام‌گذاری به‌صورت لیتیوم-یون یا سدیم-یون، یک نام‌گذاری کلی است که به‌صورت عمومی گروه بزرگی از خانواده باتری‌های حاوی لیتیوم یا سدیم را پوشش می‌دهد.

در نتیجه هر گروه از خانواده باتری‌هایی که به این صورت اسم‌گذاری می‌شوند، دارای زیرشاخه‌های مستقل و انواع بسیار متنوعی هستند که در ادامه تنها به بررسی نمونه‌های رایج آن در صنعت خودروسازی خواهیم پرداخت.

باتری‌های لیتیوم-یون (LIB)

گروه باتری‌های لیتیوم-یون به‌کاررفته در صنعت خودروسازی، بر اساس پایه عنصر لیتیوم شکل گرفته و حدود ۱۲ نوع مختلف را دربر می‌گیرد. اما تنها چهار گروه متمایز از آن در خودروهای الکتریکی و هیبرید امروزی مورد استفاده است.

باتری Li-NMC

لیتیوم-نیکل-منگنز-کبالت یا به‌اختصار LNMC یا NMC، رایج‌ترین نوع از باتری‌های به‌کاررفته در خودروهای الکتریکی است. این نوع باتری کاربرد گسترده‌ای در خودروهای برقی و هیبرید رایج در دهه‌های گذشته داشت و به‌صورت عمومی بسیار شناخته‌شده‌تر از سایر نسخه‌های باتری‌های LIB است.

باتری Li-NCA

لیتیوم-نیکل-کبالت-اکسید آلومینیوم یا به‌اختصار LNCA یا NCA، از دیگر باتری‌های رایج خانواده LIB است که کاربرد فراوانی در خودروهای برقی و هیبرید دارد. ویژگی‌های این نوع باتری شباهت بسیار زیادی به نمونه NMC دارد، چرا که دو عنصر اصلی لیتیوم و نیکل در آن‌ها مشترک است.

باتری LTO

لیتیوم-تیتانیوم اکسید تیتانیوم یا لیتیوم تیتانیِت، نوع دیگری از باتری‌های LIB است و اگرچه عناصر پیچیده نظیر کبالت، منگنز و نیکل را در خود ندارد، اما در عوض از فلز بسیار گران‌قیمت تیتانیوم در ساختار خود بهره می‌گیرد.

باتری LFP

لیتیوم-آهن-فسفات یا لیتیوم فروفسفات، نوع جدیدی از باتری‌های خانواده LIB است که به‌جای عناصر نادر‌تر نظیر منگنز، نیکل و کبالت، عناصر فراوان‌تر و ارزان‌تری نظیر آهن و فسفات بهره می‌گیرد. در نتیجه از دیدگاه هزینه‌های تولید بسیار ارزان‌تر و از دیدگاه فرایند ساخت بسیار ساده‌تر است.

با این حال این سه نوع باتری از خانواده باتری‌های لیتیوم‌محور، تمایزهای نهایی بسیار زیادی با یکدیگر دارند. به عنوان مثال، NMC و NCA به دلیل داشتن ترکیبات نیکل، منگنز و کبالت، قیمت نهایی بسیار زیادی دارند، اما متریال تشکیل‌دهنده LFP در پوسته زمین بسیار فراوان و در نتیجه تولید آن ارزان‌قیمت‌تر است. از طرف دیگر، LFP ذاتا بسیار سنگین است و از دیدگاه چگالی انرژی قابلیت رقابت با NMC و NCA را ندارد.

در عوض نمونه LTO و LFP به دلیل عدم بهره‌گیری از فلزات ناپایدار، از دیدگاه ایمنی در جایگاه بالایی قرار می‌گیرند و در صورت پارگی پوسته، مشتعل نمی‌شوند اما NCA و مخصوصا NMC، بسیار ناپایدار هستند و در صورت آسیب‌دیدگی به‌شدت مشتعل شده و ریسک مالی و جانی بسیار زیادی به همراه خواهند داشت. از دیدگاه توانایی تحمل سیکل شارژ (تعداد دفعات پر و خالی شدن باتری)، نمونه LTO به تمامی مدل‌ها برتری دارد و همچنین توانایی شارژ سریع در آن قابل توجه است، اما چگالی انرژی آن پایین‌تر از NMC و NAC است.

باتری‌های سدیم-یون (NIB یا SIB)

باتری‌های توسعه‌یافته بر پایه سدیم را باید در زمره نوین‌ترین باتری‌های جهان دانست. نوعی باتری که در فرایند ساخت آن از عناصر گران‌قیمت و حساس خودداری شده و در عوض از متریال بسیار فراوان‌تر نظیر سدیم بهره گرفته شده است که به وفور در آب شور دریاها یافت می‌شود.

باتری NMC

سدیوم-متال-کلراید یا باتری‌های سدیومی در ترکیب با کلرید فلزات مختلف نظیر کلرید آهن، نیکل، مس، روی و… که به‌صورت عمومی به باتری‌های نمکی مشهور هستند، در زمره جدیدترین باتری‌هایی قرار می‌گیرند که به حوزه خودروسازی وارد شده‌اند. این دست باتری‌ها بر اساس عنصر فراوان سدیم و ترکیب شیمیایی فلزات رایج و ارزان‌قیمت بنا شده و ازاین‌رو هزینه تولید بسیار پایین و پایداری ایمنی بسیار بالایی دارند.

باتری‌های پایه سدیم نظیر NMC چگالی انرژی کمتری (نظیر LFPها) در مقایسه با خانواده باتری‌های LIB دارند. اما متریال به‌کاررفته در آن‌ها بسیار ارزان‌قیمت‌تر و به‌مراتب فراوان‌تر است. این دست باتری‌ها از پایداری شیمیایی بسیار عالی برخوردارند و ازاین‌رو به‌سرعت در حال گسترش در بازار تجهیزات نیازمند به ذخیره انرژی الکتریکی نظیر باتری‌های خانگی، UPSها و حتی خودروهای برقی هستند. در صورت بروز سانحه، خطر آتش‌سوزی به همراه ندارند، سمی و خطرناک نیستند و از دیدگاه سیکل شارژ جایی میان NMC و NAC قرار می‌گیرند.

می‌توان این‌طور برداشت کرد که آینده باتری‌های شارژی به‌کاررفته در خودروهای الکتریکی و هیبرید، تا حد قابل توجهی از آن باتری‌های نمکی یا سدیم‌محور خواهد بود.

بهترین باتری خودرو برقی

موضوع معرفی و بررسی ریزبه‌ریز قابلیت‌ها، تمایزها، شباهت‌ها و حساسیت‌های مربوط به باتری خودروهای برقی موضوعی بسیار علمی، فنی و به دور از حوصله این مقاله است. اما باید در نظر داشت که انتخاب باتری‌های شارژی در خودروهای مدرن تمام‌برقی یا هیبرید، بر اساس چند فاکتور اساسی انجام می‌گیرد.

• هزینه تولید
• ضریب ایمنی
• قابلیت بازیافت
• چگالی انرژی
• سیکل شارژدهی
• بازه تحمل حرارتی
• فراوانی متریال پایه
• وزن

مجموع این ویژگی‌ها در کنار یکدیگر تعیین می‌کند که شرکت خودروساز کدام نوع از باتری را با چه ظرفیتی در کدام یک از خودروهای تولیدی خود به کار بگیرد. به این ترتیب که ممکن است باتری‌های سدیم-یون (NIB) و LFP از گروه لیتیوم-یون (LIB)، برای خودروهای سبک شهری، موتورسیلکت‌ها و سه‌چرخه‌ها استفاده شده و باتری‌های گران‌قیمت‌تر و پربازده‌تر نظیر NMC از خانواده لیتیوم-یون، در شاسی‌بلندهای سنگین و خودروهای اسپرت با برد بیشتر استفاده شوند.

در نتیجه نمی‌توان در میان گروه باتری‌های ذکرشده الزاما یک نسخه را به‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌عنوان باتری برتر و برنده رقابت خیالی برترین باتری جهان انتخاب کرد. فاکتورهای انتخاب خودروسازان بسیار پیچیده و وابسته به ارزیابی‌های بسیار دقیق بر اساس سیاست‌های هر شرکت خودروساز است.

نحوه نصب باتری در خودرو برقی

بزرگ‌ترین مشکل باتری در خودروهای الکتریکی و هیبرید، دو فاکتور ابعاد و وزن نهایی قابل توجه آن است. به این ترتیب که در جی ام سی هامر EV جدید با وزن شگفت‌انگیز ۴.۲ تن، تنها مجموعه پک باتری آن وزنی برابر با حدود ۱۲۸۰ کیلوگرم دارد که با وزن یک خودرو سدان سایز کوچک برابری کرده و بزرگ‌ترین پک باتری در میان خودروهای تولید انبوه روز دنیا به حساب می‌آید.

در نتیجه مدیریت چیدمان و دستیابی به شکل نهایی پک باتری به منظور نصب در خودرو، جایگزین کردن، انجام سرویس‌های دوره‌ای و تعمیرات، بسیار اهمیت دارد. ازاین‌رو هر سلول از باتری‌ها بر اساس نوع باتری، توان نهایی تولیدی و کلاس خودرو، با مهندسی بسیار دقیق برای دستیابی به بالاترین بازده ممکن و کم‌ترین وزن نهایی چیده شده تا در داخل خودرو نصب شود.

به این ترتیب به‌صورت کلی چهار روش برای چیدمان پک باتری‌ها در دسترس است.

• روش CTM

روش Cell to Module (سِل به ماژول) به معنای چیدمان هر یک از سلول‌های باتری در کنار یکدیگر با ماژول‌های کنترلی مجزا و سپس قرارگیری ماژول‌ها در کنار یکدیگر برای ایجاد پک باتری نهایی با توان خروجی مشخص.

• روش CTP

روش Cell to Pack (سل به پک) به قرارگیری تک‌تک سلول‌های باتری در ابعاد بزرگ‌تر به همراه تنها یک مازول کنترل‌کننده برای تولید یک پک واحد با توان خروجی مشخص گفته می‌شود.

• روش CTC

روش Cell to Chassis (سل به شاسی) روشی مفید اما گران‌قیمت برای تولید پک باتری است. در این روش سلول‌های باتری در کنار هم چیده شده و پوسته محافظ بیرونی آن به‌عنوان بخش تقویت‌کننده شاسی خودرو بر آن سوار می‌شود. در این روش، ساختار کلی بدنه باتری به عنوان بخشی از مجموعه مستحکم‌کننده شاسی ایفای نقش خواهد کرد، اما در عوض ابعادی فشرده‌تر و کوچک‌تر دارد.

• روش CTB

روش Cell to Body (سل به بادی) روشی مشابه به CTC اما ارزان‌قیمت‌تر است. به این ترتیب که سلول‌های باتری در ساختار ماژول یا پک‌هایی در می‌آید که در جای‌جای بدنه خودرو قابل نصب باشد.

تکنولوژی شارژ باتری خودرو برقی

حالا که با ساختار بسیار پیچیده انواع باتری به‌کاررفته در خودروهای هیبرید و برقی آشنا شدیم، باید ببینید که این پک‌های بزرگ باتری چگونه شارژ می‌شوند. برای شارژ پک باتری، روش‌های مختلفی ارائه شده است که امروزه در ساختار سه نمونه استاندارد بر خودروهای تولید انبوه برقی عرضه می‌شود.

شارژ سطح ۱

شارژ سطح یک از طریق برق خروجی خانگی و به کمک شارژر موجود بر روی خودرو یا OBC (On-Board Charger) و با کمک تبدیل برق متناوب شهری (AC) به برق مستقیم (DC) انجام می‌گیرد. خروجی ولتاژ شارژ این دستگاه‌ها برابر با ۱۲۰ ولت است و ازاین‌رو کندترین روش برای شارژ خودرو برقی به حساب می‌آید. در این روش، باتری خودرو به‌ازای هر ساعت حدود ۵ تا ۸ کیلومتر شارژ شده و در نتیجه شارژ کامل خودرو معمولا حدود ۱۰ تا ۲۰ ساعت بر اساس ظرفیت نهایی باتری به طول می‌انجامد. در نتیجه در صورت شارژ در طول شب، خودرو تنها مناسب استفاده برای مسافت‌های کوتاه و کاربری درون شهری خواهد بود.

شارژ سطح ۲

سطح دو شارژ ماشین برقی از طریق شارژرهای توان بالا با خروجی شارژ ۲۴۰ ولت آن انجام می‌شود که به شکل محسوسی قدرتمندتر از شارژر‌های OBC هستند. در این روش خروجی دستگاه شارژر به پورت شارژ OBC متصل شده تا برق AC برای شارژ پک باتری به برق DC بدل شود.

سرعت شارژ باتری در این روش برابر با حدود ۲۰ تا ۸۰ کیلومتر (بر حسب توان شارژر و ظرفیت باتری) است و در صورت شارژ پک باتری در طول شب، خودرو می‌تواند در سفرهای بین شهری نیز به کار گرفته شود. این شارژرها به‌صورت واحدهای جداگانه و متصل به برق خانگی در اختیار مالک یا مشتری مکان‌های عمومی قرار می‌گیرد و قیمت آن‌ها قابل توجه است. این شارژرها در حدود ۳۰۰ تا ۱۰۰۰ دلار (بر حسب توان خروجی) قیمت دارند.

شارژ سطح ۳

سطح سه شارژرهای خودروهای برقی به‌عنوان گروه شارژر سریع (Fast Charge) و با نام شارژرهای DC شناخته می‌شوند، چرا که در این شارژرها برق AC مستقیما به برق DC با ولتاژ بین ۴۰۰ تا ۱۰۰۰ ولت در خروجی بدل شده و به‌جای عبور از دستگاه شارژر استاندارد روی خودرو (OBC)، مستقیما به پورت متصل به باتری‌ها وصل می‌شود. توان شارژ این دستگاه‌ها بسیار زیاد و به حدی است که می‌توانند در حدود ۳۰ دقیقه باتری خودروهای الکتریکی را از ۱۰ تا ۸۰ درصد شارژر کنند. همچنین شارژ کامل پک باتری بیشتر خودروها با این شارژرها در تنها حدود یک ساعت به طول می‌انجامد.

قیمت نهایی این شاژرها بسیار زیاد و با توجه به توان خروجی شارژ در حدود ۱۰ تا ۵۰ هزار دلار به‌ازای هر دستگاه است. ازاین‌رو تنها کاربری این شارژرها در ایستگاه‌های عمومی بین راه و توقف‌گاه‌های مشخصی است که در مسیر تردد اصلی بین شهری قرار دارند. شارژرهای سطح ۳ در زمره زیرساخت‌های دولتی ویژه خودوهای الکتریکی قرار گرفته و کاربری شخصی ندارند.

شارژ باتری خودرو هیبرید

خودروهای هیبرید از هر نوع و کلاسی که باشند، دارای یک پک باتری و یک موتور الکتریکی هستند که عملکرد سیستم هیبرید در آن‌ها را ممکن می‌سازد. در این خودروها، موتور الکتریکی که وظیفه به حرکت در آوردن خودرو را بر عهده دارد، به هنگام کاهش شارژ مورد نیاز باتری، به صورت ژنراتور عمل کرده و پک باتری خودرو را شارژ می‌کند.

به همین دلیل در غالب خودروهای هیبرید، از موتور الکتریکی به‌کاررفته در ساختار خودرو به عنوان موتور/ژنراتور یاد می‌شود. یعنی موتور الکتریکی که ضمن به حرکت در آوردن خودرو، قابلیت ایفای نقش در جایگاه یک دینام بزرگ و قدرتمند برای شارژ پک باتری خودرو را نیز دارد.

اگر توصیف موتور الکتریکی یک خودرو هیبرید با عنوان موتور/ژنراتور/استارتر برخورد کردید، بدانید که این موتور الکتریکی نه‌تنها نقش محرک نیرو و دینام شارژکننده خودرو را بازی می‌کند، بلکه می‌تواند به عنوان موتور استارت پیشرانه احتراق داخلی نیز ایفای نقش کند.

قابلیت V2L

یکی از ویژگی‌های جالب توجه خودروهای برقی، قابلیت V2L یا Vehicle to Load است که به‌صورت تحت الفظی، از خودرو به مصرف‌کننده ترجمه می‌شود. سیستم V2L قابلیتی منحصر به خودروهای تمام الکتریکی است که می‌تواند با در اختیار قرار دادن قابلیت انتقال معکوس انرژی الکتریکی، شارژ باتری خودرو را برای سایر مصارف در اختیار مصرف‌کننده وسایل برقی قرار دهد.

این قابلیت به دو صورت کلی بیان می‌شود.

سیستم V2H

سیستم Vehicle to Home یا از خودرو به خانه، با ارائه انرژی الکتریکی برای تامین نیروی برق یک ساختمان و تجهیزات الکتریکی درون آن نظیر لپ‌تاپ، تلوزیون، یخچال، کولر، ابزارهای برقی و … به هنگام خاموشی و افت توان تامین برق در شبکه.

سیستم V2G

سیستم Vehicle to Grid یا از خودرو به شبکه برق‌رسانی، با انتقال شارژ باتری به شبکه برق‌رسانی کشور و دریافت هزینه از دولت به دلیل همراهی و کمک در تامین برق شبکه ملی یک کشور. این روش تنها در کشورهای اروپایی و آمریکای شمالی کاربرد دارد.

به این ترتیب که کسانی که مالک خودروهای الکتریکی هستند، می‌توانند بر حسب نیاز و شرایط، از ظرفیت الکتریکی قابل توجه ذخیره‌شده در پک باتری خودرو خود به روش V2L برای استفاده‌های شخصی یا عمومی و دولتی استفاده کنند.

خودروهای برقی در ایران

حدود یک دهه از ورود خودروهای هیبرید وارداتی به بازار ایران می‌گذرد. این خودروها با توجه به دانش عمومی اندک، قیمت بالا و واردات محدود، چندان مورد پذیرش عموم مشتریان ایرانی قرار نگرفتند. با گسترش تکنولوژی در صنعت خودروسازی کشور چین و همکاری عمیق دیپلماتیک این کشور با ایران، شاهد حضور گسترده خودروهای هیبرید چینی در کشور بودیم.

اما پس از آزادی دوباره واردات، طیف قابل توجهی از واردکنندگان خودرو، تمرکز خود را بر واردات خودروهای برقی گذاشته‌اند و امید دارند تا این دست خودروها در بازار ایران محبوب واقع شده و فروش آن‌ها اوج بگیرد. اما چرا هنوز هم نگاه بیشتر مشتریان ایرانی به این دست خودروها نگاهی رو به پایین و منفی است؟

دلایل منطقی زیادی برای ذهنیت منفی مشتریان ایرانی به خودروهای الکتریکی وجود دارد.

• قیمت نهایی قابل توجه
• برد نهایی کم (در بیشتر نسخه‌ها)
• شارژ بسیار کند باتری با برق شهری (سطح ۱ یا OBC)
• قیمت بسیار زیاد شارژرهای سریع‌تر سطح ۲
• ناپایداری شبکه تامین برق در کشور
• قیمت زیاد حامل‌های انرژی در کشور (به‌خصوص برق)
• فراوانی و قیمت مناسب سوخت‌های فسیلی در ایران
• نبود زیرساخت‌های مناسب برای استفاده گسترده (عدم عرضه فراگیر شارژر سطح ۳)

این فاکتورها موجب می‌شوند تا مشتری ایرانی نگاه جدی و کاربردی به خودروهای برقی نداشته باشد. خودروهایی که به‌ذات دارای قیمت بسیار گزاف هستند و از دسترس عموم جامعه به دورند. برد مفید آن‌ها کفاف سفرهای بین شهری را نمی‌دهد و نبود زیرساخت‌های مناسب نظیر فراوانی شارژرهای سری سطح ۳ در جاده‌های بین راهی می‌تواند به سادگی آن‌ها زمین‌گیر کند.

تکیه این خودروها بر تامین نیروی الکتریکی از سوی دولت خواهد بود. نیرویی که کشور ایران در سال‌های اخیر با دشواری‌های بسیار زیاد در تامین آن مواجه بوده و عملا استفاده از خودروهای برقی را غیر ممکن می‌سازد.

فراوانی و قیمت نسبتا مناسب فراورده‌های نفتی (بنزین و دیزل)، استفاده از خودروهای سنتی با برد مفید بیش از ۷۰۰ کیلومتر و قابلیت پر کردن باک در کمتر از ۱۰ دقیقه، ماشین‌های بنزینی و دیزلی را به گزینه‌های ایدئال برای استفاده درون و برون شهری بدل کرده است.

اگر قرار باشد پای تکنولوژی خودروهای الکتریکی به بازار خودرو ایران باز شود، نظر کارشناسانه نگارنده آن است که کشور ما در این مقطع تنها پذیرنده انواع خانواده خودروهای هیبرید، مخصوصا از نمونه بردافزا (REEV یا همان EREV) خواهد بود. خودروهایی که ضمن داشتن عملکرد الکتریکی بسیار شبیه به خودروهای BEV، دارای مصرف سوخت فسیلی بسیار کم اما برد نهایی قابل توجه هستند و نیازی به توقف برای شارژ باتری ندارند.

معضلات و معایب باتری خودروهای برقی

اگرچه تا این‌جای کار تنها از مشکل چگالی انرژی باتری‌ها در راستای دشواری‌های تولید باتری صحبت کردیم اما دردسرهای دستیابی به یک باتری مناسب برای استفاده در صنعت خودروسازی، به‌مراتب گسترده‌تر از این حرف‌ها است.

نیاز به متریال معدنی خاص

بسیاری از باتری‌های مدرن و پربازده امروزی از متریال نسبتا نایاب، خاص و گران‌قیمت تولید می‌شوند. عناصر پایه تشکیل‌دهنده طیف مختلفی از باتری‌ها شامل مس، منگنز، کبالت، لیتیوم و نیکل است که همگی (مخصوصا کبالت، منگنز و لیتیوم) از جمله عناصر معدنی نایابی هستند که در دل زمین قرار گرفته و در هر نقطه از دنیا یافت نمی‌شوند.

دستیابی به این متریال نیازمند صرف هزینه بسیار گزاف برای اکتشاف، استخراج، فراوری و پالایش است که نه‌تنها این دست عناصر را به متریال نایاب و گران‌قیمت بدل می‌کند، بلکه آن‌ها را در دسته مواد دارای ذخیره محدود قرار می‌دهد.

انحصار معادن

بسیاری از عناصر معدنی خاص نظیر لیتیوم، در هر گوشه‌ای از جهان یافت نمی‌شوند. در صد قابل توجهی از این عنصر در کشور چین قرار دارد. این مهم نه‌تنها کشور چین را به‌عنوان بزرگ‌ترین دارنده عناصر خاص ساخت باتری و از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان باتری در جهان بدل می‌کند، بلکه موجب وابستگی شدید صنعت خودروسازی جهان به دارایی‌های طبیعی کشور چین شده و از دیدگاه سیاسی نیز روابط دیپلماتیک منحصربه‌فردی را طلب می‌کند.

آلایندگی زیست محیطی

اکتشاف و استخراج این عناصر خاص نیازمند به‌کارگیری تجهیزات صنعتی غول‌پیکر است که همگی با سوخت‌های فسیلی کار می‌کنند. از ماشین‌های بزرگ معدنی گرفته تا پالایشگاه‌ها برای تولید این عناصر به‌خصوص در نهایت به سوخت فسیلی وابسته هستند. همین مهم تاثیر منفی قابل توجهی بر محیط زیست و آلاینده‌های تولیدی می‌گذارد.

محدودیت ذخایر معدنی

زمانی عنصر کُبالت به دلیل نیاز محدود، استفاده به‌خصوصی در صنایع نداشت. اما با گسترش خیره‌کننده نیاز صنایع مختلف به باتری و وابستگی تولید باتری‌های پربازده به کبالت، ذخایر این عنصر را به درجه نایاب شدن رساند.

آلودگی شیمیایی

باتری‌ها به‌صورت کلی از ترکیبات مواد اولیه شیمیایی حاصل می‌شوند. این باتری‌ها رفته‌رفته فرسوده شده و ضمن از دست دادن چگالی انرژی خود، هدف کاربری را نیز از دست می‌دهند. در نتیجه بسیاری از باتری‌ها ملزم به دفن شدن در زیر خاک است که آسیب‌های زیست‌محیطی بسیار سنگینی به همراه دارد.

اشتعالزایی و سمی بودن

عناصر پایه مورد استفاده در باتری‌های جدید نظیر لیتیوم و منگنز، در گروه عناصر بسیار ناپایدار قرار دارند. این عناصر نه‌تنها برای انسان سمی و خطرناک هستند بلکه در مواجهه با اتمسفر جو، بسیار ناپایدار و اشتعال‌زا جلوه می‌کنند.

این مهم نه‌تنها تولید باتری‌ها تحت شرایط آزمایشگاهی کنترل‌شده را بسیار سخت می‌کند، بلکه به هنگام بروز تصادف و پاره شدن محفظه نگهدارنده آن‌ها، ریسک آتش‌سوزی بسیار شدید و غیر قابل خاموش شدن با روش‌های معمولی (آب یا خاک) را به همراه دارند.

نیاز به تامین الکتریسیته برای شارژ

بیایید تصور کنیم که در دنیای امروزی، هیچ وسیله نقلیه‌ای وجود ندارد که از نوع فسیلی باشد و همه آن‌ها از نیروی الکتریسیته بهره می‌گیرند. حالا باید سوال کرد که تامین برق مورد نیاز برای این تعداد قابل توجه از خودروهای الکتریکی از کجا تامین خواهد شد؟ از نیروگاه‌هایی که با سوخت‌های فسیلی (نظیر ذغال‌سنگ یا فراورده‌های نفتی) کار می‌کنند؟

تامین انرژی مورد نیاز تمامی خودروهای الکتریکی در آینده، یکی از بزرگ‌ترین معضلات پیش روی کشورهای در حال توسعه و جهان سوم از جمله ایران است.

وزن بالا

اگرچه بازده انرژی الکتریکی بسیار بالا است، اما چگالی انرژی آن در باتری‌ها بسیار پایین است. به این معنا که یک خودرو با ۷۰ کیلوگرم از سوخت فسیلی رایج (بنزین یا گازوئیل)، می‌تواند به سادگی بیش از ۱۰۰۰ کیلومتر مسافت را طی کند. اما یک خودرو تمام‌برقی با یک پک باتری ۷۰ کیلوگرمی، به سختی می‌تواند از مرز ۲۰۰ کیلومتر عبور کند. در نتیجه پک باتری به‌کاررفته در خودروهای الکتریکی بسیار بزرگ و بسیار سنگین است.

مزایای باتری های جدید برای خودروهای برقی

حالا ممکن است از خود سوال کنید که با وجود این حجم از دردسرها و مشکلات شدید در راستای تولید باتری، خودروسازان هنوز بر تولید انواع باتری خودرو برقی اصرار دارند؟ آیا تولید باتری برای جایگزینی خودروهای برقی با بنزینی، ارزش این همه معضل و آلایندگی را دارد؟

پاسخ مثبت است. با در نظر گرفتن فرایند کلی تولید باتری‌ها از معادن گرفته تا تولید نهایی و استفاده در صنعت خودروسازی، هر خودرو برقی در دوره عمر مفید خود، بعضا تا ۴ برابر آلایندگی کم‌تر از خودروهای سوخت فسیلی تولید می‌کند. این مهم خود یک فاکتور اساسی در فرایند کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی به حساب می‌آید.

شرکت‌های تولیدکننده باتری به‌شدت بر عدم استفاده از عناصر خاص و نایاب نظیر کبالت تاکید دارند و تلاش می‌کنند تا تکنولوژی باتری‌سازی را به سوی استفاده به مراتب محدود‌تر از این عناصر سوق دهند. از آن گذشته، امروزه تا ۹۵ درصد از عناصر به‌کاررفته در تولید باتری‌ها قابل بازیافت است. این مهم چرخه تولید باتری‌های مورد نیاز برای خودروهای الکتریکی را تا مدت زمانی طولانی حفظ می‌کند.

همچنین امروزه هزینه تولید باتری‌ها در مقایسه با سال ۲۰۱۰، به میزان چشم‌گیر ۹۰ درصد افت کرده است. این میزان از تغییر در مواد اولیه به‌کاررفته، ارتقای تکنولوژی صنعت باتری‌سازی و بهبود بازده باتری‌های تولیدی جدید نشات گرفته است. به عنوان مثال قیمت تولید باتری به‌ازای چگالی انرژی هر کیلووات.ساعت در سال ۲۰۱۰ از ۱۲۰۰ دلار، به حدود ۲۰۰ دلار در سال ۲۰۲۰ رسیده و فراگیر شدن خودروهای الکتریکی و هیبرید را رقم زده است.

نتیجه گیری

خودروهای الکتریکی به ذات گران‌قیمت، سنگین و پیشرفته هستند. نه‌تنها داشتن دانش و دسترسی به منابع مورد نیاز برای تولید باتری آن‌ها بسیار محدود و در اختیار کشورهای بسیار اندک است، بلکه تامین الکتریسیته مورد نیاز برای شارژ آن‌ها به روش ایدئال و فراگیر، برای هر کشور و هر مشتری نهایی مقدور نیست.

ازاین‌رو باید پذیرفت که بازار امروز کشور ایران توانایی پذیرش خودروهای تمام الکتریکی (BEV) را ندارد و برگ برنده در بازار آینده خودرو کشور، در اختیار خودروهای هیبرید خواهد بود.

سوال های متداول

۱.چرا خودروهای برقی گران هستند؟

فرایند تولید باتری خودروهای برقی، از مواد اولیه گرفته تا دانش طراحی آن‌ها، یک فرایند بسیار گران‌قیمت و بسیار پیچیده است. مواد اولیه به‌کاررفته در تولید باتری‌ها نظیر لیتیوم، کبالت و منگنز، از عناصر نادر و گران‌قیمت به شمار می‌آیند.

۲.دلیل وزن قابل توجه خودروهای الکتریکی چیست؟

تکنولوژی امروز ساخت باتری در جهان با وجود بیش از یک قرن پیشرفت، هنوز به اندازه‌ای رشد نکرده است که چگالی انرژی ذخیره‌شده در باتری را به اندازه‌ای افزایش دهد که وزن نهایی پک باتری کاهش یابد. در نتیجه نیاز است تا از تعداد قابل توجهی ماژول و پک باتری در کنار یکدیگر استفاده شود تا برد مفید نهایی خودرو به حد قابل قبول برسد. این مهم موجب افزایش وزن خیره‌کننده خودرو الکتریکی می‌شود.

۳.آیا باتری خودروهای الکتریکی خطرناک است؟

بله. تقریبا تمامی باتری‌های خانواده لیتیوم-یون (LIB) به دلیل استفاده ترکیب عناصر ناپایدار نظیر لیتیوم در کنار متریال اشتعال‌زا مانند اکسید آلومینیوم، نیکل و منگنز، نه‌تنها در برابر افزایش حرارت و وارد آمدن ضربه حساس هستند، بلکه به خودی خود سمی و خطرناک به حساب می‌آیند. باتری نسل جدید نظیر LFP یا باتری‌های سودیم-یون (NIB) با استفاده از عناصر فراوان‌تر  و ایمن‌تر ساخته می‌شوند.

نویسنده: شهاب انیسی