در نیم‌قرن گذشته صنعت باتری‌سازی تحول زیادی پیدا کرده است. باتری‌های به کار رفته در خودروهای برقی، دیگر از نوع سربی اسیدی نیستند و با اهمیت پیدا کردن محیط زیست پایدار، باتری‌های جدید با فناوری‌های بهینه جایگزین باتری‌های سربی شده‌اند. انواع باتری خودروهای برقی و هیبریدی نقش حیاتی در عملکرد، کارایی و آینده حمل‌ونقل دارند. هر باتری نه تنها از نظر ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی و توان خروجی، بلکه از لحاظ طول عمر، سرعت شارژ و هزینه‌های مرتبط نیز متفاوت است. در این فصل از تیران آکادمی، به بررسی جامع و دقیق انواع باتری به‌کار رفته در خودروهای برقی و هیبریدی خواهیم پرداخت.
باتری‌های لیتیوم یونی، پر قدرت‌ترین در میان انواع باتری خودروهای برقی
از باتری‌های لیتیوم یونی در حال حاضر در اکثر وسایل الکترونیکی مصرفی قابل حمل مانند تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها به دلیل انرژی بالا در واحد جرم و حجم نسبت به سایر سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی استفاده می‌شوند. آنها همچنین دارای نسبت قدرت به وزن بالا، راندمان انرژی بالا، عملکرد خوب در دمای بالا، عمر طولانی و تخلیه کم هستند. بیشتر اجزای باتری‌های لیتیوم یون قابل بازیافت هستند، اما هزینه بازیابی مواد همچنان یک چالش برای صنعت است. اکثر خودروهای تمام الکتریکی امروزی و PHEVها از باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌کنند.
بیشتر بخوانید: رانندگی با خودروهای متصل، تجربه‌ای ایمن و نوین
الکترودهای مورد استفاده در باتری‌های لیتیوم یونی معمولاً از لیتیوم و کربن تشکیل شده‌اند که به طور ذاتی وزن سبکی دارند. این ویژگی باعث می‌شود که باتری‌های لیتیوم یونی به مراتب سبک‌تر و کوچک‌تر از باتری‌های سرب اسیدی باشند. به عنوان مثال، یک باتری لیتیوم یونی با ظرفیت 51 آمپر ساعت (Ah) تقریباً به اندازه یک باتری سرب اسیدی 24 آمپر ساعتی وزن دارد (حدود 6 تا 7 کیلوگرم)، اما با این تفاوت که ظرفیت انرژی آن بیش از دو برابر است. این نسبت بالای ظرفیت به وزن، باتری‌های لیتیوم یونی را به گزینه‌ای ایده‌آل برای خودروهای برقی و سایر دستگاه‌های پیشرفته تبدیل می‌کند. علاوه بر این، باتری‌های لیتیوم یونی در زمینه بازدهی بسیار قوی هستند و انرژی بیشتری را نسبت به وزن خود ذخیره می‌کنند. ویژگی مثبت باتری‌های لیتیوم یونی در میان انواع باتری خودروهای برقی این است که استفاده کمتر از کبالت و رفع نگرانی‌های ایمنی با توجه به شرایط مختلف، بهترین گزینه برای خودروهای برقی به شمار می‌روند.
بیشتر بخوانید: هر آنچه که باید درباره شارژ خودروهای برقی بدانید!
باتری‌های نیکل متال هیدرید، سازگار با محیط زیست
باتری‌های نیکل متال هیدرید (NiMH) از جمله فناوری‌های باتری هستند که به دلیل سازگاری با محیط زیست و عملکرد مطمئن، مورد توجه گسترده‌ای قرار گرفته‌اند. این باتری‌ها، که به طور معمول در تجهیزات کامپیوتری، پزشکی و خودروهای هیبریدی (HEV) مورد استفاده قرار می‌گیرند، توانسته‌اند تعادل خوبی بین هزینه، طول عمر و پایداری محیطی برقرار کنند. اگرچه باتری‌های نیکل متال هیدرید در مقابل باتری‌های لیتیوم یونی (Li-ion) چگالی انرژی کمتری دارند، اما به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود همچنان در برخی کاربردها انتخاب اول هستند. باتری‌های NiMH از یک آند هیدرید فلز و یک کاتد اکسی هیدروکسید نیکل تشکیل شده‌اند. عملکرد این باتری‌ها بر اساس تبادل یون‌های هیدروژن بین الکترودها است که این تبادل، امکان ذخیره و آزادسازی موثر انرژی را فراهم می‌کند. این ساختار ساده اما کارآمد، به باتری‌های NiMH اجازه می‌دهد تا در محیط‌های مختلف با کارایی بالایی عمل کنند و چرخه عمر طولانی‌تری نسبت به بسیاری از باتری‌های دیگر داشته باشند.
بیشتر بخوانید: معرفی زیرساخت‌های به کار رفته در خودرو متصل
مزایا:
1. سازگاری با محیط زیست:یکی از بزرگترین مزایای باتری‌های NiMH، عدم وجود فلزات سنگین سمی مانند کادمیوم و سرب است که آنها را نسبت به بسیاری از دیگر انواع باتری خودروهای برقی، سازگارتر با محیط زیست می‌کند.
2. دوام و طول عمر: باتری‌های NiMH به دلیل توانایی تحمل تعداد زیادی از چرخه‌های شارژ شناخته می‌شوند. این ویژگی، آنها را به گزینه‌ای مناسب برای کاربردهایی که نیاز به عمر طولانی دارند، تبدیل کرده است.
3. هزینه مناسب: اگرچه این باتری‌ها ارزان‌ترین نوع باتری‌ها نیستند، اما به دلیل فراوانی مواد اولیه و هزینه تولید نسبتاً پایین، قیمت‌های رقابتی دارند.
بیشتر بخوانید: همه‌چیز درباره باتری خودروهای برقی
چالش‌ها:
1. چگالی انرژی پایین‌تر: یکی از نقاط ضعف باتری‌های NiMH، چگالی انرژی پایین‌تر آنها نسبت به باتری‌های Li-ion است. این بدان معناست که باتری‌های NiMH در ابعاد و وزن مشابه با باتری‌های لیتیوم یونی، انرژی کمتری ذخیره می‌کنند که می‌تواند محدوده عملکرد خودروهای الکتریکی را محدود کند.
2. وزن و حجم بیشتر: باتری‌های NiMH معمولاً سنگین‌تر و حجیم‌تر از باتری‌های Li-ion هستند. این امر می‌تواند بر طراحی و عملکرد خودروهای الکتریکی تاثیر بگذارد و نیاز به فضای بیشتری برای نصب این باتری‌ها داشته باشد.
باتری‌های لیتیوم-آهن-فسفات (LFP)، ایمن و با دوام
باتری‌های لیتیوم-آهن-فسفات (LFP) در میان انواع باتری خودروهای برقی به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های باتری در خودروهای الکتریکی به خاطر پایداری شیمیایی بالا و هزینه نسبتا پایین، مورد توجه قرار گرفته‌اند. این نوع باتری‌ها، که به دلیل نداشتن کبالت به عنوان یکی از مواد گران‌بها، به‌صرفه‌تر و با دوام‌تر از باتری‌های NCA و NMC هستند، به ویژه در برنامه‌هایی که نیاز به طول عمر بالا و ایمنی بیشتر دارند، ایده‌آل محسوب می‌شوند. باتری‌های LFP از فسفات آهن لیتیوم به عنوان کاتد استفاده می‌کنند. این ترکیب شیمیایی به باتری‌ها استحکام حرارتی و شیمیایی می‌بخشد، که نتیجه آن کاهش خطر گرم شدن بیش از حد و آتش‌سوزی است. در واقع، این پایداری یکی از دلایل اصلی محبوبیت این نوع باتری‌ها در صنایع خودروسازی و سایر کاربردهای حساس است.
مزایا:
1. دوام و طول عمر بالا: باتری‌های LFP به دلیل عمر طولانی و عدم تاثیرگذاری اثر حافظه، برای کاربردهایی که نیاز به چرخه‌های شارژ مکرر دارند، ایده‌آل هستند. این ویژگی باعث می‌شود که خودروهای مجهز به این نوع باتری‌ها، با هزینه نگهداری پایین‌تری روبرو باشند.
2. هزینه تولید کمتر: استفاده نکردن از فلزات گران‌قیمت مانند کبالت و نیکل در ترکیب باتری‌های LFP، باعث می‌شود که هزینه تولید آنها به طور قابل توجهی کاهش یابد، که این مسئله در نهایت منجر به کاهش قیمت نهایی محصول می‌شود.
3. ایمنی بالا: پایداری شیمیایی باتری‌های LFP، خطر آتش‌سوزی و انفجار را به میزان زیادی کاهش می‌دهد. این ویژگی، باتری‌های LFP را به یکی از امن‌ترین گزینه‌ها برای استفاده در خودروهای الکتریکی و سایر کاربردهای حساس تبدیل کرده است.
بیشتر بخوانید: با سطوح مختلف خودروهای خودران آشنا شوید
چالش‌ها:
1. چگالی انرژی کمتر: یکی از بزرگترین معایب باتری‌های LFP نسبت به باتری‌های NCA و NMC، چگالی انرژی پایین‌تر آن‌هاست. این مسئله به کاهش برد خودروهای الکتریکی منجر می‌شود، به این معنا که خودروهای مجهز به این نوع باتری‌ها ممکن است نیاز به شارژ مجدد بیشتری داشته باشند.
2. حساسیت به سرما: عملکرد باتری‌های LFP تحت تاثیر دماهای بسیار پایین قرار می‌گیرد، که می‌تواند کارایی آنها را در شرایط آب و هوایی سرد کاهش دهد. این مسئله ممکن است در مناطق سردسیر، یک چالش مهم باشد و نیاز به مدیریت حرارتی دقیق‌تر داشته باشد.
انواع باتری خودروهای برقی نوظهور در اکوسیستم EV
در میان انواع باتری خودروهای برقی، چند باتری نوظهور وجود دارد که مورد توجه قرار گرفته است. بعضی از آنها عبارتند از:
اکسید لیتیوم کبالت (LCO) : باتری‌های LCO چگالی انرژی بسیار بالایی دارند اما گران‌تر و فرار هستند. این نوع باتری‌ها معمولاً برای دستگاه‌های قابل حمل مانند لپ‌تاپ‌ها و تلفن‌های هوشمند و دستگاه‌های بهداشتی استفاده می‌شوند، اما برای خودروهای برقی معمولاً استفاده نمی‌شوند و برخی از طرفداران اکوسیستم باتری منسوخ شده‌اند.
بیشتر بخوانید: آشنایی با خودروهای خودران، از رویا تا واقعیت!
لیتیوم تیتانات (LTO) : باتری‌های LTO زمان شارژ سریع تر و عملکرد بالاتری دارند. آنها همچنین دارای طول عمر بسیار طولانی هستند و بسیار ایمن هستند و حتی پس از آسیب فیزیکی قابل توجهی، نمی‌سوزند. با این حال، آنها چگالی انرژی بسیار پایینی دارند که برد و عملکرد آنها را برای خودروهای برقی محدود می کند.
اکسید آلومینیوم لیتیوم نیکل کبالت: باتری‌ها دارای چگالی انرژی بسیار بالا و نرخ شارژ بالایی هستند که آنها را برای خودروهای الکتریکی با کارایی بالا ایده آل می کند. با این حال، هزینه بسیار بالایی نیز دارند و نسبت به سایر انواع باتری خودروهای برقی به اقدامات ایمنی بیشتری نیاز دارند.
سوالات متداول
1. انواع باتری خودروهای برقی چه تاثیری بر عملکرد خودرو دارند؟
ظرفیت و چگالی انرژی باتری‌ها عملکرد و برد خودروهای برقی را تعیین می‌کند.
2. کدام یک از انواع باتری خودروهای برقی دوام بیشتری دارند؟
باتری‌های لیتیوم-آهن-فسفات و لیتیوم یونی به دلیل طول عمر بالا و مقاومت حرارتی بیشتر دوام بیشتری دارند.
3. آیا انواع باتری خودروهای برقی سازگاری متفاوتی با محیط زیست دارند؟
باتری‌های نیکل متال هیدرید (NiMH) به دلیل عدم استفاده از فلزات سنگین، سازگارتر با محیط زیست هستند.
منابع:
[1] https://afdc.energy.gov/vehicles/electric-batteries
[2] https://www.electromaps.com/en/blog/electric-vehicle-batteries-types-characteristics
[3] https://lohum.com/media/blog/types-of-batteries-used-in-electric-vehicles-in-india/
دیدگاه خود را بنویسید