باتری خودروهای برقی

با پیشرفت فناوری و فشار برای کاهش انتشار آلاینده‌ها، خودروهای برقی (Electric Vehicles – EV) جایگاه ویژه‌ای در صنعت حمل‌ونقل یافته‌اند. مهم‌ترین جزء این خودروها، باتری است که تعیین‌کننده بازه حرکت (Range)، سرعت شارژ، ایمنی و هزینه نهایی می‌باشد. در این مقاله، روی انواع باتری‌های رایج یعنی لیتیوم‑یونی، نیکل‑فلز هیدریدی، سرب‑اسیدی، اولتراخازن و همچنین فناوری‌های نوظهور مانند حالت جامد و سدیمی متمرکز می‌شویم.

 تاریخچه مختصر باتری های خودروهای برقی

اولین خودروهای برقی تجاری در اواخر قرن ۱۹ از باتری‌های سرب‑اسیدی استفاده کردند. سپس در دهه ۹۰ میلادی، فناوری NiMH )نیکل‑ فلز هیدریدی) در هیبریدهای اولیه مانند تویوتا پریوس وارد شد. با رشد نیاز به ظرفیت بیشتر و وزن کمتر، باتری‌های لیتیوم‑یونی به تدریج غالب شدند و امروزه بیشتر EVها از این نوع هستند .

 انواع باتری‌های به کار رفته در خودروسازی برقی

باتری سرب‑اسیدی (Lead‑Acid)

• قدیمی‌ترین نوع قابل شارژ.

• انرژی حجمی ~ Wh/L ۸۰–۹۰  و وزنی ~ Wh/kg 35–40 

• مزایا: هزینه کم، قابلیت تولید بالا و بازیافت آسان

• معایب: وزن بالا، چرخه عمر کم، بازده پایین و عملکرد ضعیف در سرما

• کاربرد: تامین برق کمکی خودرو، شروع به کار سیستم‌ها (12 ولت)

 باتری نیکل‑فلز هیدریدی (NiMH)

• استفاده گسترده در خودروهای هیبریدی مانند پریوس و Insight

• مزایا: چرخه عمر بیشتر از سرب‑اسیدی، ایمنی بالا، تحمل بالا

• معایب: هزینه بالا، دشارژ خودبه‌خودی زیاد، حرارت زیاد

• امروزه رقابت پذیر با لیتیوم‑یونی نیست، ولی همچنان در برخی خودروهای هیبریدی استفاده می‌شود

 باتری لیتیوم‑یونی (Li‑ion)

• محبوب‌ترین نوع باتری برای خودروهای تمام‌برقی

• انرژی وزنی ~ Wh/kg 120–260  و انرژی حجمی قابل توجه

• ولتاژ سلولی ~3.6 V، عملکرد بدون اثر حافظه، و افت شارژ اندک (~۱–٪۲ در ماه)

• چرخه عمر طولانی (>۱۰۰۰ شارژ/دشارژ)

• شارژ سریع و ولتاژ بالا

• زیرشاخه‌های مهم:

  • NMC (لاتینگ نیکل-منگنز-کبالت): رایج‌ترین، بالانس انرژی، ایمنی و طول عمر زیاد

  • LFP (لیتیوم‑آهن‑فسفات): ایمنی بالا، هزینه کمتر، عمر چرخه زیاد، اما چگالی انرژی کمتر

  • NCA (لیتیوم‑نیکل‑کبالت‑آلومینیوم): انرژی بالا، در محصولات تسلا استفاده شده

  • LCO کمتر در خودرو کاربرد دارد، و بیشتر در موبایل و لپ‌تاپ استفاده می شود

معایب:

• گران‌تر نسبت به NiMH و سرب‑اسیدی

• ریسک حرارت، احتیاج به مدیریت حرارتی پیشرفته

• تأثیرات محیطی استخراج لیتیوم و فلزات دیگر

• عمر مفید: رسیدن به تنها ۸۰٪ از ظرفیت اولیه پس از حدود ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه.

 اولتراخازن‌ها (Ultracapacitors)

• ذخیره انرژی با ظرفیت کم ولی چگالی توان بسیار بالا

• کاربرد: کمک به شتاب سریع، ذخیره انرژی بازیابش ترمز (ری‌جنراتیو)، تثبیت بار

• در EV، بیشتر به عنوان مکمل پکیج اصلی هستند

 فناوری‌های نوظهور: حالت جامد (Solid-State) و سدیمی (Sodium‑Ion)

• Solid-State: الکترولیت جامد، انرژی بیشتر (2۰ ٪ بالاتر)، ایمنی بالا، هنوز در حال تجاری‌سازی

• Sodium‑Ion: ذخیره ارزان‌تر، ایمنی بالا، انرژی کمتر؛ مناسب بازارهایی مانند بازار تولید انرژی

۳. مقایسه دقیق باتری‌ها

 فناوری مدیریت حرارت باتری

باتری‌های لیتیوم‑یونی نیازمند سیستم مدیریت حرارتی دقیق هستند تا از داغ شدن بیش‌از‌حد جلوگیری شود. پژوهش های ارائه‌شده نشان می‌دهند که استفاده از PCM (مواد تغییر فاز) همراه با فین، تا ۳–۵٪ کارایی خنک‌سازی را افزایش می‌دهد و توزیع دما را یکنواخت‌تر می‌کند

 تحولات جدید در باتری‌های حالت جامد  (Solid-State)

Stellantis (سازنده دوج/جیپ) با همکاری Factorial Energy، در حال آماده‌سازی اولین خودرو با باتری حالت جامد «FEST» برای سال ۲۰۲۶ هستند. این سلول‌ها چگالی انرژی Wh/kg ۳۷۵   ، شارژ سریع از ۱۵ ٪ به ۹۰ ٪ در ۱۸ دقیقه و عملکرد در دماهای 30- تا ۴۵+ درجه سانتی گراد  را ارائه می‌دهند.  مرسدس‌بنز نیز آزمایش‌های جاده‌ای باتری حالت جامد را که در خودروهای آزمایشی استفاده شده ، شروع کرده است. هوندا خبرهایی درباره دستیابی به فناوری باتری حالت جامد برای خودروهای آینده منتشر کرده که مسیر ورود به تولید انبوه را هموار می‌سازد. به علاوه، خودروهای مفهومی مثل  IM L6 از چین مجهز به بسته‌های نیمه‌جامد (semi-solid)  با برد بیش از ۱۰۰۰ کیلومتر طی آزمایشات اولیه شده‌اند.

 پیشرفت‌های چشمگیر در باتری‌های یون-سدیمی

 CATL با همکاری برند Naxtra، باتری یون‌سدیمی Wh/kg ۱۷۵  را معرفی کرده و تولید انبوه را برای پایان ۲۰۲۵ برنامه‌ریزی کرده است. این باتری ها تا ۵۰۰ کیلومتر برد برای EVها را تضمین می کند .  HiNa Battery با چرخه عمر ۴۵۰۰ تا ۲۰٬۰۰۰ بار و چگالی انرژی Wh/kg ۱۴۰–۱۵۵ ، در خودروهای الکتریکی سبک چینی بکار گرفته شده است. همچنین ، ایالات متحده پروژه ۵۰ میلیون دلاری توسعه باتری های یون‌سدیمی را در دستور کار دارد تا وابستگی به لیتیوم را کاهش دهد.

 سیستم‌های ترکیبی نیرویی

 CATL اخیراً سیستمی معرفی کرده که از «دوال‌پاور» شامل یک سلول سریع‌شارژ همراه یک پک کمکی بهره می‌برد و برد تا ۱۵۰۰ کیلومتر را هدف قرار داده است. این رویکرد نشان می‌دهد که باتری‌ها می‌توانند با طراحی هوشمندانه، نیاز به شارژ مکرر را کاهش دهند و برد فوق‌العاده‌ای را فراهم کنند.

مقایسه سریع پیشرفت‌‌های اخیر

جمع بندی

باتری‌ها قلب تپنده خودروهای برقی‌اند. از روزهای اولیه ورود باتری های خودروهای برقی تا فناوری‌های نوین، تحولات در این حوزه چشم‌گیر بوده‌اند. اکنون با ورود Li‑ion، حرکت به سمت خودروهای پاک، پایدار و کارآمد سرعت گرفته اما تا رسیدن به اتکای کامل، ایمنی بالا، کاهش قیمت بیشتر و جایگزینی فناوری‌های بهتر همچون حالت جامد یا سدیمی راه درازی در پیش است.

در این مقاله سعی کردیم تا مطالبی جامع در حوزه باتری های خودروهای الکتریکی در اختیار مخاطبین گرامی بگذاریم. در انتهای این بحث، به جمع بندی نکات مهم در این مقاله می پردازیم:

1. باتری‌های لیتیوم‑یونی در حال حاضر به دلیل انرژی بالا، عمر خوب و پیشرفت فنی، بهترین انتخاب برای خودروهای برقی هستند.
2. NiMH هنوز در وسائط خاص هیبریدی مورد استفاده است ولی جای خود را تا حدود زیادی به Li‑ion داده است.
3. باتری های  سرب‑اسیدی اکنون تنها برای کاربردهای کمک ‌کننده و ولتاژ 12 ولت استفاده می‌شوند.
4.  اولتراخازن‌ها مکمل پکیج اصلی برق رسانی خودروها هستند و بیش‌ترین کاربرد را در عملکردهای نیازمند به توان بالا دارند.
5.  فناوری‌های نوظهور (حالت جامد، سدیمی) مسیر پیشرفت را هموار می‌سازند تا ایمنی، بازدهی و پایداری در باتری های خودرو، بهبود یابد.
6. بازیافت باتری و مدیریت حرارتی بخش‌های جدایی‌ناپذیر از چرخه عمر EVها هستند و نقشی حیاتی در پایداری خواهند داشت.