آشنایی با محبوب ترین انواع باتری در خودروهای برقی

محبوبیت وسایل نقلیه الکتریکی روز به روز در حال افزایش است. تولیدکنندگان در حال تولید و عرضه خودروهای برقی گوناگونی هستند که تصور آینده‌ای تمام الکتریکی را به همراه می‌آورد. اما رمز موفقیت خودروهای الکتریکی چیست؟ برد آن‌ها که به ظرفیت باتری بستگی دارد، عامل تعیین کننده موفقیت آن‌هاست. باتری این نوع خودروها باید قابلیت شارژ سریع و منظم را داشته باشد و قدرت زیادی را برای خودرو به ارمغان بیاورد. در چنینی حالتی می‌توان آینده روشنی را برای خودروهای الکتریکی تصور کرد. ما در این مطلب قصد داریم تا در خصوص آشنایی با محبوب ترین انواع باتری در خودروهای برقی و انواع باتری در خودروهای برقی توضیحاتی اراده دهیم، با ما همراه باشید.

در خودرو‌های برقی از چه نوع باتری‌هایی استفاده می‌شود؟

در نیم قرن گذشته پیشرفت‌های زیادی در زمینه فناوری باتری صورت گرفته است. آشکار شدن اهمیت انرژی پایدار، باتری‌های سرب اسیدی گذشته را به حاشیه رانده است. در ادامه دو نوع از مطرح‌ترین انواع باتری در خودروهای برقی جدید که جایگزین باتری‌های سرب اسیدی شده‌اند را معرفی خواهیم کرد.

• باتری‌های لیتیوم یون

در اکثر خودروهای برقی جدید از باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌شود. این باتری‌ها از مواد کاتدی دارای عناصری مانند نیکل، منگنز، کبالت، آلومینیوم و آهن تشکیل شده‌اند. امروزه تمایل به استفاده از انواعی از این ترکیبات که بیشترین انرژی را دارند؛ مانند اکسید کبالت (LCO) یا اکسید کبالت نیکل لیتیوم (NCA) در خودروها بیشتر است.

باتری لیتیوم یونی یک منبع انرژی کارآمد برای وسیله نقلیه الکتریکی می‌باشد. این باتری‌ها دارای یون لیتیوم به عنوان ماده فعال شیمیایی باتری می‌باشند، جایی که یون‌های موجود در سلول باتری از آند به کاتد برای تولید الکتریسیته حرکت می‌کنند. اما شیمی دقیق باتری می‌تواند متفاوت باشد و خودروها فقط از باتری‌های لیتیومی با چگالی انرژی بالا استفاده می‌کنند. این باتری نسبت به سایر انواع باتری خودروهای الکتریکی مانند باتری‌های اسید سرب دارای مزایای متعددی است. علاوه بر این، می‌توان از آن در خودروهای غیر الکتریکی نیز استفاده نمود.

 باتری‌های لیتیوم یون معمولا بسیار قابل اعتمادتر از تکنولوژی‌های قدیمی‌تر مانند نیکل کادمیوم (NiCd) هستند و مشکل اثر حافظه بر اثر دفعات شارژ در آن‌ها وجود ندارد. از آن‌جایی که باتری‌های لیتیوم یون حاوی کادمیوم، سرب و جیوه که فلزهای سنگین سمی می‌باشند، نیستند برای طبیعت نیز بهتر هستند. با این وجود نباید باتری‌ها را که حاوی آهن، پلاستیک و دیگر مواد شیمیایی هستند در طبیعت و به خصوص زمین‌های کشاورزی رها کرد. در مقایسه با باتری‌‌های مخصوص کار سنگین مانند lead-acid که برای روشن کردن خودروها استفاده می‌شود، باتری‌های لیتیوم یون نسبت به ظرفیت انرژی که ذخیره می‌کنند بسیار سبک‌تر هستند.

الکترودهایی که به طور معمول در باتری‌های لیتیوم یونی، لیتیوم و کربن استفاده می‌شوند، به خودی خود سبک وزن هستند و نسبت به باتری‌های قدیمی‌تر خود مانند باتری‌های سرب اسید، باتری‌های بسیار کوچک‌تر و سبک‌تری تولید می‌کنند. برای مقایسه، یک باتری لیتیوم یونی معمولی Ah 51 (آمپر ساعت)، تقریباً به وزن یک باتری سرب اسیدی 24 آمپر ساعتی (حدود 6 تا 7 کیلوگرم) وزن دارد، اما بیش از دو برابر ظرفیت دارد.

ظرفیت ذخیره انرژی یک باتری ماشین الکتریکی لیتیومی به مواد باتری و عملکرد خودرو بستگی دارد. این ظرفیت بر حسب کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) یا آمپر ساعت (Ah) اندازه‌گیری می‌شود و بر میزان مسافتی که یک خودرو می‌تواند با یکبار شارژ مجدد طی کند، تاثیر می‌گذارد. به طور معمول، ظرفیت باتری EV می‌تواند بین 40 کیلووات ساعت تا 200 کیلووات ساعت باشد.

محفظه سلولی این باتری‌ها، آن‌ها را به سه نوع مختلف تقسیم می‌کند: باتری‌های استوانه‌ای، منشوری و کیسه‌ای. امروزه هر سه نوع این باتری‌ها، کاربرد زیادی دارند و هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. برای مثال، کمپانی تسلا باتری‌های استوانه‌ای را به دلیل دوام آن‌ها ترجیح می‌دهد. بسته‌های باتری آن‌ها صدها سلول لیتیوم یونی دارد که در زیر بخش داخلی خودرو ذخیره می‌شوند. به عبارتی، 2976 سلول باتری لیتیوم یونی در یک تسلا وجود دارد. این سلول‌‌های باتری لیتیوم یونی بالاترین چگالی انرژی در جهان را دارند. با این وجود، آن‌ها در مقایسه با انواع دیگر دست و پا گیر هستند.

مانند باتری‌های استوانه‌ای، باتری‌های منشوری هم شهرت زیادی دارند؛ اما باتری‌های منشوری به طور کلی سبکتر هستند و به دلیل شکل مستطیلی خود به راحتی در فضاهای کوچک قرار می‌گیرند. همین موضوع سبب شده تا فولکس واگن اخیراً به باتری‌های منشوری روی بیاورد. البته خوب است بدانید که باتری‌‌های منشوری معمولاً عمر کوتاه‌تری نسبت به باتری‌های استوانه‌ای دارند.

باتری‌های کیسه‌ای بسیار متفاوت هستند؛ زیرا در کیسه‌های فلزی و نازک قرار دارند و انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به باتری‌‌های منشوری و استوانه‌ای دارند. این باتری‌ها برای فضاهای کوچک فوق‌العاده هستند؛ اما درصد آسیب‌پذیری آن‌ها بالاست و خطر آتش‌سوزی را به همراه دارند. کمپانی‌های جنرال موتورز و هیوندا هر دو از باتری‌های کیسه‌ای استفاده می‌کنند.

انواع این باتری‌ها عبارتند از:

• لیتیوم آهن فسفات باتری‌های (LiFePO4)
• لیتیوم اکسید منگنز
• لیتیوم نیکل منگنز اکسید کبالت باتری‌های (NMC)
• اکسید آلومینیوم لیتیوم نیکل کبالت
• لیتیوم تیتانات

این باتری‌های لیتیوم یون دارای نسبت توان به وزن بالا، راندمان انرژی بالا، تخلیه خود کم و عملکرد خوب در دمای بالا هستند. این ویژگی‌‌ها باعث گشته تا فناوری باتری‌ لیتیوم یونی جایگزین بسیار مناسبی برای باتری‌های خودروهای سنتی (مانند باتری‌های اسید سرب پرشده) باشد. برخی از باتری‌های لیتیومی می‌توانند به طور مستقیم جایگزین باتری‌های اسید سرب در هر وسیله نقلیه‌ای شوند. امروزه محققان به دنبال کاهش هزینه‌های آن‌ها، افزایش طول عمر و جلوگیری از گرمای بیش از حد هستند. همچنین شرکت‌ها به دنبال ایجاد باتری لیتیوم سولفور برای استفاده در خودروهای الکتریکی به دلیل انرژی متراکم و تشکیل شدن از مواد اقتصادی هستند.

باتری‌های لیتیومی نسبت به سایر خودروهای هیبریدی الکتریکی یا باتری‌های استاندارد خودرو عمر طولانی‌تری دارند. باتری‌های لیتیومی به دلیل سن، دما و عوامل دیگر سرعت کاهش ظرفیت کمتری دارند. به علاوه، خودروهای برقی امروزی از سیستم‌های مدیریت باتری پیشرفته برای کمک به عملکرد بهینه استفاده می‌کنند. این باتری‌ها حدود 200000 مایل یا حدود 8 تا 17 سال عمر می‌کنند. که در مقایسه با دیگر باتری‌ها عمر بسیار زیاد و مفیدی است، یک باتری سرب اسید 3 تا 5 سال دوام می‌آورد و یک باتری حدود 7 سال دوام می‌آورد.

عوامل مختلفی هستند که می‌توانند منجر به خراب شدن باتری خودروهای الکتریکی شوند، از جمله:

• سن: باتری‌های خودرو همگی با گذشت زمان به صورت تخریب تدریجی شروع به کاهش می‌کنند. به طور معمول، باتری‌های EV در ابتدا و انتهای عمر خود کاهش شدیدی را مشاهده می‌کنند.
• دماهای شدید: دمای بالای 100 درجه فارنهایت یا کمتر از 32 درجه فارنهایت (زیر انجماد) ظرفیت باتری لیتیومی را تحت تأثیر قرار می‌دهد و باعث آسیب غیر قابل برگشت می‌شود. این به این دلیل است که گرمای شدید باعث خوردگی داخلی می‌شود، در حالی که سرمای شدید مقاومت داخلی را افزایش می‌دهد.
• شارژ سریع : شارژ سریع DC بیش از حد باعث کاهش عمر باتری EV می‌شود. بار سنگینی بر روی بسته باتری ایجاد می‌کند و فقط در صورت اجتناب‌ناپذیر (مانند سفرهای طولانی)، باید از آن استفاده کرد.

• باتری‌های نیکل متال هیبرید

باتری‌های نیکل متال هیبریدی در سال 1987 ساخته شده‌اند. این باتری‌ها دو تا سه برابر ظرفیت شارژ بیشتر و تا 40 درصد طول عمر بیشتری نسبت به باتری‌های نیکل کادمیوم استاندارد دارند. به جای کادمیوم، الکترود منفی از یک آلیاژ جذب کننده هیدروژن ساخته شده است و ممکن است از ترکیبات مختلف بین فلزی استفاده شود. این باتری‌ها راه را برای خودروهای هیبریدی هموار کرده‌اند. این باتری‌ها با اختراع یک ماده جدید از لانتانیم، نیکل، کبالت و سیلیکون به وجود آمده‌اند. نیکل متال هیبریدی‌ها تا 84 درصد از ظرفیت شارژ خود را حفظ می‌ کنند.

گذشت زمان و پیشرفت‌‌های بیشتر در ساختار شیمیایی باتری‌ها به باتری‌‌های نیکل متال هیبریدی کمک کرد تا چگالی انرژی بسیار بیشتری را نسبت به باتری‌های سرب اسیدی حفظ کنند. اگرچه اولین باتری‌های قابل شارژ نیکل کادمیوم قلمی حدود ۲۵ درصد از ظرفیت باتری‌های غیرقابل شارژ آلکالاین را تأمین می‌کردند اما امروزه جدیدترین نوع آنها تقریباً ۷۵ درصد از ظرفیت باتری‌های قلمی آلکالاین را با نرخ تخلیه کم فراهم می‌کنند. از آنجایی که این باتری‌ها را می‌توان تا صدها بار شارژ کرد، بنابراین طول عمرشان نیز معادل صدها باتری آلکالاین خواهد بود. طول عمر باتری نیکل متال هیدرید 500 تا 1000 چرخه شارژ و دشارژ کامل، با امکان تا 4000 سیکل بسته به کیفیت ساخت، سازنده و شرایط نگهداری بستگی دارد. اکنون، باتری‌‌های نیکل متال هیبریدی را عمدتاً در خودروهای هیبریدی خواهید یافت. بازده انرژی و ایمنی بالا دو عامل اصلی محبوبیت این باتری‌هاست.

این باتری‌ها با باتری‌های نیکل کادمیوم دارای شباهت‌های زیادی هستند. الکترود مثبت مانند باتری‌های نیکل کادمیوم از اکسید نیکل ساخته شده است، در حالی که الکترود منفی از آلیاژ جذب کننده هیدروژن به جای کادمیوم ساخته شده است. تکنیک ساخت این باتری در طول زمان پیشرفت کرده است. برای مثال باتری‌های وارتا، طول عمر و جریان لحظه‌ای و چرخه شارژ و دشارژ بالاتری نسبت به باتری‌های سنتی دارند.

اجزای اصلی انواع باتری نیکل متال هیدرید شامل سلول ابتدایی متشکل از مجموعه‌ای از الکترودها، الکترولیت و جداکننده‌ها بوده و ماژول‌هایی از مونتاژ سریالی سلول‌ها در آن وجود دارند. از دیگر ویژگی‌های این باتری، سیستم‌های باتری متشکل از مجموعه بزرگی از سلول‌ها یا ماژول‌ها و از یک سیستم کنترل و سیستم تبدیل برق (PCS) است.

ساختار مربوط به عملکرد باتری به صورتی طراحی شده است که الکترودهای شیمیایی مثبت نیکل کادمیوم باتری که دارای ویژگی ذخیره انرژی آلیاژ فلزی است برای کاربردهای پیشرفته ذخیره انرژی هیدروژن استفاده می‌شود. این ویژگی این امکان را به باتری می‌دهد که ظرفیت بسیار بیشتری نسبت به باقی باتری‌ها از خود نشان دهد.

بزرگ‌ترین ایراد این باتری‌ها گران بودن آن‌هاست. این نوع از انواع باتری در خودروهای برقی را در تویوتا پریوس، هوندا اینسایت و سیویک هیبرید خواهید یافت.

ظرفیت انواع باتری در خودروهای برقی چقدر است؟

ظرفیت انرژی باتری در خودروهای برقی به عوامل زیادی بستگی دارد. انواع باتری‌های مورد استفاده و خود خودرو دو عامل تعیین کننده در این خصوص هستند. ظرفیت باتری بر حسب کیلووات در ساعت اندازه‌گیری می‌شود و هر چه این ظرفیت بیشتر باشد، ماشین می‌تواند مایل‌های بیشتری را بدون شارژ مجدد طی کند. ظرفیت باتری خودروی الکتریکی با واحد کیلووات ساعت یا KWh بیان می‌شود. با انتخاب خودرویی که ظرفیت باتری بالاتری دارد محدوده‌ی حرکتی بیشتری خواهید داشت. این امر مشابه خرید خودرویی بنزینی با باک بزرگ‌تر است؛ اما باید دانست به خاطر روش کار کرد خودروهای الکتریکی، شما هرگز به ظرفیت کامل باتری دسترسی نخواهید داشت. دلیل این امر به سیستم مدیریت اصلی خودرو مربوط می‌شود که به خاطر حفظ راندمان و افزایش طول عمر باتری از شارژ ۱۰۰ درصدی و خالی شدن کامل باتری جلوگیری می‌کند.

ظرفیت باتری خودروهای برقی از 40 کیلووات در ساعت تا 200 کیلووات در ساعت متغیر است. برای درک بهتر این موضوع، خوب است بدانید که مدل S و مدل X کمپانی تسلا باتری 100 کیلووات ساعتی دارند و می‌توانند 300 مایل را بدون شارژ مجدد طی کنند. در مقابل، یک نیسان لیف با باتری 40 کیلووات ساعتی می‌تواند 149 مایل را بدون شارژ مجدد طی کند.

انواع باتری در خودروهای برقی چقدر دوام می‌آورد؟

بسیاری از افرادی که قصد خرید یک خودروی برقی مقرون به صرفه را دارند، احتمالاً از خود می‌پرسند که باتری خودرو چقدر دوام می‌آورد. به هر حال، ارزش خودرو به دوام باتری آن بستگی دارد. به عنوان یک قانون کلی خوب است بدانید که باتری‌هایی مانند لیتیوم فسفات آهن دوام نمی‌‌آورند؛ اما همانطور که در بالا ذکر کردیم باتری‌‌های لیتیوم یونی در خودروها حدود 200 هزار مایل یا تقریباً 17 سال دوام خواهند داشت که این برای باتری خودرو فوق‌العاده و شگفت‌انگیز است.

عمر باتری تا حد زیادی به نحوه عملکرد باتری، چرخه شارژ و دشارژ آن و دمای کارکرد آن بستگی دارد. در بسیاری از خودروها از سیستم‌های مدیریت باتری پیشرفته و حتی سیستم‌های گرمایش و سرمایش برای حفظ عملکرد باتری‌ها استفاده می‌شود. این موضوع سبب بهینگی و افزایش عمر باتری می‌شود.

پیش از پایان مطلب خوب است بدانید که کشور ما، ایران، معادن غنی‌ای دارد که مواد شیمیایی مورد استفاده در باتری‌ها را در بسیاری از مواقع می‌تواند تامین کند. دو معدن نیکل و کبالت با ذخیره مناسب و قابل بهره‌برداری نمونه‌ای از این معادن است. همچنین خبر کشف معدن لیتیوم در کشور که چندی پیش منتشر شد، نوید استخراج ماده شیمیایی دیگری را می‌دهد.

مزایا و معایب باتری خودروهای الکتریکی

باطری ماشین الکتریکی از مواد شیمیایی مضر ساخته شده است که زمان دفع، باعث آلودگی محیط‌زیست می‌شود. با این حال کارشناسان معتقد هستند خودروهای برقی نسبت به خودروهای بنزینی آلودگی کمتری ایجاد می‌کنند. یکی از مزایای باتری خودروهای برقی، تولید مجدد برق توسط آن‌ها است بنابراین با استفاده از این خودروها بازآفرینی انرژی امکان‌پذیر است. مزیت دیگر باتری خودروهای برقی این است که در خانه و با سلول خورشیدی نیز قابل شارژ می‌باشد. همچنین طول عمر مناسب این نوع باتری‌ها به عنوان یک مزیت مطرح می‌شود.
اما در کنار این مزایا، خودروهای برقی یک عیب بزرگ دارند. تعویض باتری لیتیومی که هزینه سرسام‌آوری را به صاحب خودرو تحمیل می‌کند و گاهی این هزینه به قیمت یک ماشین بنزینی هم می‌رسد.
از دیگر معایب باتری خودروهای برقی می‌توان به ظرفیت محدود شارژ آن‌ها اشاره کرد. همچنین خودروهای برقی برد مسافتی محدودی دارند و برای سفرهای طولانی چندان مناسب به نظر نمی‌رسند. محدوده حرکتی بیشتر خودروهای برقی بین 160 تا 200 کیلومتر است اما تسلا در مدل S خود برد مسافتی 540 کیلومتر را ارائه داده است.

نتیجه‌گیری

تغییر روزافزون جهان و پیشرفت آن، خودروسازی را به سمت افزایش تولید و عرضه خودروهای برقی سوق داده است. یکی از مهمترین عواملی که می‌تواند سرنوشت خودروهای برقی را تعیین کند، باتری آن‌هاست. باتری‌های لیتیوم یون و نیکل متال هیبرید دو نوع از انواع باتری در خودروهای برقی هستند که ما در این مطلب سعی کردیم به معرفی اجمالی آن‌ها بپردازیم. در ادامه نیز کمی درباره ظرفیت و دوام باتری‌ها صحبت کردیم. امیدواریم که این مطلب برای شما مفید بوده باشد.