باتری‌های جامد (Solid-State Batteries) به‌عنوان نسل بعدی فناوری ذخیره‌سازی انرژی در خودروهای برقی، با الکترولیت جامد به‌جای مایع، مزایایی مانند شارژ سریع‌تر، ظرفیت بالاتر، عمر طولانی‌تر، عملکرد بهتر در دماهای شدید و کاهش خطر آتش‌سوزی ارائه می‌دهند. این باتری‌ها، که شرکت‌هایی مانند تویوتا و سامسونگ در حال تجاری‌سازی آن‌ها هستند، می‌توانند برد خودروهای برقی را تا ۱,۰۰۰ کیلومتر افزایش دهند و چالش‌های باتری‌های لیتیوم‌یون را برطرف کنند.

در حالی که باتری‌های لیتیوم‌یون مایع، استاندارد فعلی خودروهای برقی با ظرفیت ۶۰ تا ۱۰۰ کیلووات‌ساعت و برد ۴۰۰ تا ۵۰۰ کیلومتر هستند، باتری‌های جامد با جایگزینی الکترولیت مایع با جامد، انقلابی در صنعت خودروهای برقی ایجاد خواهند کرد. طبق گزارش‌های موجود، این فناوری که از سال ۲۰۲۰ شتاب گرفته، می‌تواند شارژ را تا ۸۰ درصد در ۱۰ دقیقه انجام دهد و عمر باتری را به صورت قابل توجهی افزایش دهد. شرکت‌هایی مانند تویوتا هدف تجاری‌سازی در ۲۰۲۷ را دارند و سامسونگ پیش‌بینی می‌کند تولید انبوه آن تا ۲۰۲۵ آغاز شود. در بازار جهانی، که فروش خودروهای برقی در ۲۰۲۴ به ۱۴ میلیون دستگاه رسید، باتری‌های جامد می‌توانند چالش‌هایی مانند خطر آتش‌سوزی و عملکرد ضعیف در سرما را حل کنند.

تفاوت باتری‌های جامد با مایع

باتری‌های لیتیوم‌یون مایع، از الکترولیت مایع (معمولاً لیتیوم فسفات یا NMC) استفاده می‌کنند که یون‌ها را از آند (گرافیت) به کاتد (لیتیوم کبالت اکسید) منتقل می‌کند. این الکترولیت، با ویسکوزیته پایین (حدود ۳ سانتی‌پواز)، انتقال یون‌ها را سریع می‌کند، اما خطر نشت، خوردگی و واکنش‌های شیمیایی ناپایدار (مانند تشکیل دندریت) را به همراه دارد. در مقابل، باتری‌های جامد از الکترولیت جامد مانند سولفید لیتیوم یا پلیمرهای جامد (مانند PEO) استفاده می‌کنند که ساختار کریستالی یا پلیمری آن‌ها، انتقال یون‌ها را بدون مایع انجام می‌دهد. رسانایی یونی الکترولیت جامد مشابه مایع است، اما پایداری حرارتی بالاتر و عدم نشت، ایمنی را افزایش می‌دهد. این تفاوت، باتری‌های جامد را با چگالی انرژی ۵۰۰ Wh/kg (در مقابل ۲۵۰ Wh/kg مایع) و ولتاژ بالاتر (تا ۵ ولت) برتر می‌کند.

سرعت شارژ

سرعت شارژ یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های باتری‌های مایع است؛ مانند شارژ ۸۰ درصدی در ۳۰ تا ۶۰ دقیقه با توان ۱۵۰ تا ۳۵۰ کیلووات، اما با خطر گرمایش بیش از حد (بالای ۶۰ درجه سانتی‌گراد). باتری‌های جامد، با رسانایی حرارتی بالاتر و عدم واکنش‌های مایع، شارژ سریع‌تری ارائه می‌دهند. طبق تحقیقات MIT، باتری‌های جامد می‌توانند ۸۰ درصد شارژ را در ۱۰ دقیقه با توان ۱ مگاوات انجام دهند، زیرا الکترولیت جامد مانع تشکیل دندریت (رشد کریستال‌های لیتیوم) می‌شود و جریان را پایدار نگه می‌دارد. این ویژگی، زمان شارژ را تا ۷۰ درصد کاهش می‌دهد و برد روزانه را برای رانندگان شهری (تا ۵۰۰ کیلومتر) عملی می‌کند.

ظرفیت شارژ

باتری‌های مایع با ظرفیت ۶۰ ت ۱۰۰ کیلووات‌ساعت، برد ۴۰۰ تا ۵۰۰ کیلومتر ارائه می‌دهند، اما چگالی انرژی پایین، حجم و وزن آن‌ها را افزایش می‌دهد. باتری‌های جامد، با چگالی ۵۰۰ Wh/kg، ظرفیت مشابه را در حجم ۵۰ درصد کمتر فراهم می‌کنند. برای مثال، یک باتری ۷۵ کیلووات‌ساعتی جامد می‌تواند برد ۱,۰۰۰ کیلومتر ایجاد کند، زیرا الکترولیت جامد اجازه استفاده از آند لیتیوم فلزی را می‌دهد. این افزایش ظرفیت، خودروهای برقی را رقابتی‌تر با بنزینی‌ها می‌کند و وزن کلی را تا ۲۰ درصد کم می‌کند.

عمر باتری

عمر باتری‌های مایع محدود به ۵۰۰ تا ۱,۰۰۰ چرخه شارژ است، با افت ظرفیت ۲۰ درصدی پس از ۸ سال. باتری‌های جامد با پایداری الکترولیت جامد، ۲,۰۰۰ تا ۵,۰۰۰ چرخه دوام می‌آورند و افت ظرفیت را به ۵ درصد در ۱۵ سال محدود می‌کنند. دلیل این است که الکترولیت جامد مانع واکنش‌های جانبی مانند اکسیداسیون و تشکیل SEI (لایه الکترولیت بین‌مرحله‌ای) می‌شود، که در مایع‌ها تا ۳۰ درصد ظرفیت را هدر می‌دهد. این عمر طولانی‌تر، هزینه‌های تعویض را تا ۵۰ درصد کاهش می‌دهد.

عملکرد در سرما و گرما

باتری‌های مایع در سرما (زیر ۰ درجه سانتی‌گراد) ظرفیت را تا ۵۰ درصد از دست می‌دهند، زیرا ویسکوزیته الکترولیت افزایش می‌یابد و رسانایی یونی تا ۷۰ درصد افت می‌کند. در گرما (بالای ۴۰ درجه)، خطر تبخیر و انفجار نیز برای این باتری‌ها وجود دارد. باتری‌های جامد اما، با رسانایی حرارتی ۲ تا ۵ وات بر متر-کلوین، در سرما ظرفیت را تنها ۱۰ تا ۱۵ درصد از دست می‌دهند و در گرما تا دمای ۱۵۰ درجه پایدار می‌مانند. این عملکرد، در اقلیم‌های متنوع مانند ایران، برد را تا ۳۰ درصد در زمستان‌ها حفظ می‌کند.

خطر آتش‌سوزی

باتری‌های مایع با الکترولیت قابل اشتعال (نقطه اشتعال ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد)، خطر آتش‌سوزی (Thermal Runaway) را دارند، که با افزایش دما به ۲۰۰ درجه، به زنجیره‌ای از واکنش‌ها منجر می‌شود. نرخ آتش‌سوزی در لیتیوم‌یون مایع ۱ در ۱۰ میلیون است. باتری‌های جامد، با الکترولیت غیرقابل اشتعال (مانند سولفیدهای جامد)، خطر را به کم‌تر از ۱ در ۱۰۰ میلیون کاهش می‌دهند، زیرا بدون مایع، نشت و اشتعال وجود ندارد. این ایمنی، در تصادفات یا شارژ سریع، حیاتی است.

چالش‌ها و چشم‌انداز

باتری‌های جامد با وجود مزایای فراوان، با چالش‌هایی مانند هزینه تولید (۲-۳ برابر مایع) و رسانایی یونی پایین‌تر مواجه‌اند، اما شرکت‌هایی مانند کوانتوم‌اسکپ و سولید‌پاور در حال حل آن‌ها با الکترولیت‌های پلیمری هستند. تویوتا هدف تجاری‌سازی در ۲۰۲۷ را دارد و سامسونگ تولید انبوه را تا ۲۰۲۵ پیش‌بینی می‌کند و کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که در صورت تجاری سازی باتری‌های جامد، خودروهای برقی به سطح بنزینی‌ها خواهند رسید.

منبع خبر: اسب بخار