قسمت پنجم دوره آنلاین

ویدیو قسمت پنجم دوره آنلاین

باتری خودرو برقی

باتری‌ها می‌توانند انرژی ذخیره کنند و این انرژی را به دستگاه‌های مختلفی انتقال دهند. شامل میکرو باتری‌ها برای چیپست کامپیوتر و باتری‌های بزرگ برای خودروهای برقی. باتری‌هایی که تنها یکبار می‌توانند تخلیه شوند سلول‌های اولیه نامیده می‌شوند(primary cells) مثل باتری‌های معمولی. باتری‌های قابل شارژ باتری‌های ثانویه نامیده می‌شوند مثل باتری‌های یون لیتیومی.

باتری‌ها از قطب مثبت و منفی تشکیل شده‌اند. در یک باتری شارژ شده انرژی به صورت شیمیایی در الکترودها ذخیره می‌شود که هنگام تخلیه به صورت انرژی الکتریکی آزاد می‌شود. باتری‌های ثانویه می‌توانند با استفاده از الکتریسیته شارژ شوند که در این جا انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل و در باتری ذخیره می‌شود. یک مشخصه‌ی مهم در باتری‌ها این است که بازدهی ذخیره انرژی در آن‌ها بسیار بالاست و اغلب در باتری‌های یون لیتیومی بیشتر از 90 درصد است.

مقایسه انرژی ذخیره شده در باتری و بنزین

در یک خودروی الکتریکی تمام انرژی مورد نیاز برای حرکت خودرو در باتری ذخیره شده است. حرکت از خودروهایی که قدرت خود را از سوخت های فسیلی دریافت می‌کردند به خودروهایی که با باتری انرژی خود را تامین می‌کنند امری چالش برانگیز است. اول این که سوخت‌های فسیلی نظیر بنزین در مقایسه با باتری‌ها تراکم انرژی بیشتری دارند. از آنجایی که یک خودرو باید تا جای ممکن سبک باشد باتری‌ها نمی‌توانند خیلی سنگین باشند که این امر ماکزیمم انرژی ذخیره شده در باتری را محدود می‌کند که خود محدوده رانندگی را محدود می‌کند. باتری‌های یون لیتیومی در حال حاضر بیشترین تراکم انرژی ثقلی را در بین باتری‌ها دارند که به طور وسیعی در حمل ونقل الکتریکی امروزه استفاده می‌شوند. یک باتری یون لیتیومی تراکم انرژی نزدیک به 250 وات بر هر کیلوگرم دارد که در مقایسه با انرژی سوخت‌های فسیلی تقریبا کم است. به طور مثال بنزین 12 هزار وات در هر کیلوگرم انرژی دارد. اگرچه یک موتور الکتریکی 4 برابر بازدهی بیشتری در مقایسه با موتوراحتراق داخلی دارد. در نتیجه برای برابر شدن انرژی باتری با منبع بنزین باید 13 برابر سنگین تر از آن شود.

ما باید تراکم انرژی ثقلی با تراکم انرژی حجمی را از هم مجزا کنیم. فرض کنید یک باتری 70 کیلووات ساعتی در یک خودرو برقی نیاز داریم. این عدد وزنی نزدیک به 300 کیلوگرم و حجمی نزدیک به هزار لیتر خواهد داشت. این حجم کاملا محدود شده است چون وزن فاکتور محدود کننده در تکنولوژی خودرو الکتریکی است.

شارژ و دشارژ باتری

یک تقاضای دیگر برای باتری الکتریکی قابلیت شارژ شدن سریع آن است. اینکه یک باتری چقدر سریع شارژ یا دشارژ می‌شود توسط دانسیته قدرت تعیین می‌شود که با دانسیته انرژی که آنرا طرح RaGOOnie  نامیده‌اند ترکیب می‌شود. بر حسب اینکه تقاضا انرژی یا قدرت یک باتری الکتریکی باشد می‌توان تعیین کرد که دانسیته قدرت یا دانسیته انرژی کدام یک وزن باتری را مشخص می‌کنند. فرض کنید یک باتری با انرژی 70 کیلووات و ماکزیمم قدرت خروجی 50 کیلووات تقاضا شده است، وزن باتری چقدر خواهد بود؟ این چیزی است که ما از طرح  RaGOOnie می‌توانیم تعیین کنیم.

همچنین عمر سیکلی یک باتری که تعداد سیکل‌هایی است یک باتری می‌تواند دوباره شارژ شود یک مشخصه مهم است چون عمر کلی باتری را تعیین می کند. عمر سیکلی بستگی به شرایط کاری نظیر دما و نرخ شارژ کردن بستگی دارد.

ایمنی یک مسئله با اهمیت در خودروهای الکتریکی است و مشخصه‌های ایمنی به شیمی باتری‌ها و استفاده از آن به طور مثال نرخ شارژ شدن بستگی دارد.

در یک خودروی الکتریکی سلول‌های باتری زیادی در یک پک باتری کنار هم قرار می‌گیرند. برای مثال خودروی تسلا با مجموعه‌ی باتری  85 کیلووات ساعتی از 7104 سلول منفرد تشکیل شده است. یکی از مسائل مهم در اینجا مدیریت باتری‌هاست که شرایط هر سلول و اینکه هر سلول چگونه شارژ و دشارژ می‌شود را بررسی و ثبت می‌کند. این امر برای رسیدن به یک کارایی ایمن، عمر سیکلی بالا و بهترین کارایی الزامی است.

دو فرم اصلی باتری‌های یون لیتیومی به صورت استوانه‌ای و منشوروار هستند که معمولا به فرم استوانه‌ای در تکنولوژی خودرو الکتریکی استفاده می‌شوند چون عمر سیکلی طولانی و استانداردهای ایمنی بالاتری دارند و همچنین به قیمت ارزان‌تری تولید می‌شوند. عیب آن‌ها این است که به دلیل شکلی که دارند حجم بیشتری را اشغال می‌کنند. البته برای خنک شدن باتری‌ها این امر یک مزیت محسوب می‌شود. باتری‌های منشوروار از لحاظ حجمی بهتر هستند و به همین دلیل آنها بیشتر در تلفن‌های همراه و تبلت‌ها استفاده می‌شوند.

هزینه تولید باتری

قیمت تمام شده یک باتری به مواد سازنده باتری و هزینه تولید آن‌ها بستگی دارد. توزیع قیمت به شیمی خاص هر باتری و ترکیب‌های متفاوت بستگی دارد. باتری‌های یون لیتیومی ارزان‌تر شده‌اند چون تولید آن‌ها همچنین دانسیته انرژی به طور گسترده‌ای افزایش یافته است و هزینه‌های تولید با کاهش درصد کبالت در الکترود مثبت کاهش یافته است. بازیافت برای رسیدن به عناصر سازنده‌ی باتری‌ها در آینده این تکنولوژی اهمیت ویژه‌ای پیدا خواهد کرد. از این رو اینکه چه عناصری در باتری به کار رود و قابلیت در دسترس بودن این عناصر قیمت باتری‌ها را تحت فشار خواهد گذاشت.

نتیجه‌گیری قسمت پنجم دوره آنلاین

همانطور که ذکر شد خودروهای الکتریکی به یک باتری با دانسیته انرژی بالا برای طی کردن محدوده‌های طولانی نیاز دارند. علاوه بر این عمر سیکلی بالا برای طی کردن مسافت کلی قبل از تعویض باتری‌ها مهم است. تکنولوژی باتری‌های یون لیتیومی یک مسئله نگران کننده ایمنی دارد که به مایع بودن الکترولیت برمی‌گردد. کارایی باتری و ایمنی آن توسط الکترود و مواد سازنده الکترودها تعیین می‌شود. بنابراین تحقیقات جهانی در رابطه با باتری‌ها این هدف را دارد که مواد و شیمی جدیدی برای باتری‌ها پیدا کند تا کارایی وایمنی افزایش یافته و هزینه کاهش یابد. در حال حاضر باتری های یون لیتیومی نزدیک به ماکزیمم دانسیته انرژی تئوری هستند که نزدیک به 280 وات در هر کیلو گرم تخمین زده شده است. شیمی جدید لیتیوم در حال گسترش است تا مرزها را رد کند. این شیمی جدید شامل سولفور لیتیم و لیتیم هوا است. چالش‌های زیادی در این زمینه مطرح است که مربوط به عمر سیکلی آن‌هاست که وابسته به تغییرات ساختمانی و واکنش پذیری الکترولیت است. با در نظر داشتن ایمنی تحقیقات به سمت باتری‌های کاملا جامد که الکترولیت توسط الکترولیت جامد جایگزین شده است پیش می‌رود. لیتیم نسبتا فراوان است اما تنها در چند نقطه‌ی کره زمین یافت می‌شود. همچنین لیتیم در اقیانوس‌ها هم وجود دارد اما استخراج آن از دریا هنوز از لحاظ هزینه به صرفه نیست. به همین دلایل در تحقیقات به دنبال یون‌های دیگری برای ساخت باتری هستند. به طور مثال یون منیزیم یک جایگزین جالب است که هر یون منیزیم دو الکترون حمل می‌کند. چالش‌های این مسئله واکنش پذیری با الکترولیت است.

برای دیدن قسمت‌های بعدی دوره اینجا کلیک کنید

برای دیدن قسمت‌های قبلی دوره اینجا کلیک کنید