نبرد برای آینده خودروهای برقی؛ واقعیت نزدیک‌ شدن باتری‌های حالت‌جامد تا چه اندازه است؟

پژوهشگران در اقصی نقاط جهان با سرعتی چشمگیر در حال کار بر روی انتقال باتری‌های حالت‌جامد از مرحله آزمایشگاه به خودروهای برقی هستند؛ فناوری‌ای که می‌تواند انقلابی در حوزه حمل و نقل ایجاد کند.

بر اساس گزارش تکراتو و به نقل از arstechnica، تقریباً هر چند هفته یک‌بار خبری از پیشرفت‌های جدید در زمینه باتری‌های حالت‌جامد منتشر می‌شود. این نسل نوین باتری‌ها وعده دنیایی را می‌دهند که در آن خودروهای برقی دیگر نیازی به نگرانی از بابت ایمنی، سرعت شارژ یا دامنه حرکتی نخواهند داشت.

باتری‌های حالت‌جامد قرار است نسبت به باتری‌های لیتیوم‌یونی کنونی سبک‌تر، جمع و جورتر و بسیار ایمن‌تر باشند، چرا که در ساختار آن‌ها هیچ ماده قابل اشتعالی وجود ندارد. همچنین این باتری‌ها قادر به ذخیره انرژی بیشتری هستند و می‌توانند خودروهای برقی را تا مسافتی بیش از ششصد مایل با یک بار شارژ حرکت دهند.

باتری‌های حالت‌جامد در صنعت خودروهای برقی

زمان لازم برای شارژ نیز قرار است دگردیسی یابد؛ دیگر نیازی به انتظار نیم ساعته برای شارژ سریع نخواهد بود. باتری‌های حالت‌جامد می‌توانند ظرف چند دقیقه به‌طور کامل شارژ شوند، تقریباً به همان اندازه که یک خودرو بنزینی ظرف چند دقیقه باک خود را پر می‌کند.

اما این آینده هنوز به واقعیت نپیوسته است. اگر کسی درصدد خرید خودرویی با باتری حالت‌جامد در سال جاری یا حتی سال آینده باشد، چنین گزینه‌ای در بازار موجود نیست. با این حال، بسیاری از پژوهشگران نگاه خوشبینانه‌ای دارند و معتقدند که تا سال ۲۰۲۷، نمونه‌های اولیه و تا سال ۲۰۳۰، تولید انبوه این باتری‌ها محقق خواهد شد.

«جون لیو»، متخصص مواد از دانشگاه واشینگتن، می‌گوید که صنایع باتری در حال آماده‌سازی مسیر توسعه‌ای هستند که می‌تواند منجر به آغاز تولید صنعتی باتری‌های حالت‌جامد تا پایان این دهه شود.

به اعتقاد او، چالش اصلی دیگر در مورد اثبات قابلیت فنی این فناوری نیست، بلکه تلاش برای یافتن راهی برای تولید انبوه و کاهش هزینه‌هاست.

مواد سوپریونیک؛ کلید موفقیت‌های نوین

«اریک مک‌کالا» از دانشگاه مک‌گیل کانادا می‌گوید که پیشرفت‌هایی که امروز در زمینه باتری‌ها مشاهده می‌شود، تنها چند دهه پیش غیرقابل تصور بود.

قبل از سال ۲۰۱۰، باتری حالت‌جامد تنها ایده‌ای بود که بر روی کاغذ جذاب به نظر می‌رسید، اما هیچ‌کس نمی‌دانست چطور می‌توان آن را به واقعیت تبدیل کرد.

در باتری‌های لیتیوم‌یونی کنونی، الکترولیت مایع بین دو قطب مثبت و منفی، حرکت یون‌های لیتیوم را ممکن می‌سازد. این مایع به شدت قابل اشتعال است، اما در وظیفه انتقال یون‌ها بسیار مؤثر عمل می‌کند.

در طراحی جدید، قرار است این مایع با یک الکترولیت جامد جایگزین شود که نه تنها خطر آتش‌سوزی را به صفر می‌رساند، بلکه می‌تواند کارایی را نیز افزایش دهد.

مشکل اینجا است که حرکت یون‌ها در مواد جامد به مراتب کندتر از مایعات است. با این حال، در دو دهه اخیر، گروهی از مواد جدید به نام ترکیبات لیتیوم‌دار سوپریونیک کشف شده‌اند که برخی اتم‌های آن‌ها مانند جامد و برخی دیگر مانند مایع رفتار می‌کنند.

این ویژگی به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهد که با سرعتی معادل یا حتی بیشتر از الکترولیت‌های مایع حرکت کنند.

به این ترتیب، مانع اصلی برطرف شد. هرچند برخی از این مواد به شدت شکننده‌اند و در تماس با رطوبت، گاز سمی سولفید هیدروژن تولید می‌کنند، اما ظرفیت بالای آن‌ها موجب شده است که سرمایه‌گذاری‌های کلان در سراسر جهان در این زمینه آغاز شود.

شرکت‌هایی نظیر تویوتا، فولکس‌واگن و بسیاری از استارتاپ‌ها، میلیاردها دلار صرف توسعه این فناوری کرده‌اند.

«اریک واکسمن» از دانشگاه مریلند می‌گوید که تقریباً همه خودروسازان بزرگ بر این باورند که آینده متعلق به باتری‌های حالت‌جامد است. سؤالی که اکنون مطرح است دیگر به امکان ورود این فناوری به بازار مربوط نمی‌شود، بلکه به زمانی که این اتفاق خواهد افتاد، اختصاص دارد.

مزایا و چالش‌ها در مقایسه با باتری‌های لیتیوم‌یونی

باتری‌های لیتیوم‌یونی بیش از سه دهه است که در حال تولید هستند و در این مدت به‌طور قابل توجهی بهینه و ارزان‌تر شده‌اند.

«الکس لولی» از استارتاپ کوانتوم‌اسکیپ در کالیفرنیا خاطرنشان می‌کند که هنگامی که شرکت سونی اولین باتری تجاری لیتیوم‌یونی را در سال ۱۹۹۱ معرفی کرد، هزینه هر کیلووات ساعت انرژی حدود ۷۵۰۰ دلار بود.

اما در سال ۲۰۲۵، این رقم به تقریباً ۱۱۵ دلار کاهش یافته و پیش‌بینی می‌شود که تا سال ۲۰۳۰ به کمتر از ۸۰ دلار برسد؛ رقمی که می‌تواند قیمت خودروهای برقی را با خودروهای بنزینی قابل مقایسه کند.

پیشرفت‌ها در این زمینه عمدتاً ناشی از بهبود فرآیندهای تولید بوده تا کشفیات جدید در شیمی. یکی از عوامل اصلی کاهش هزینه‌ها، به‌کارگیری فرآیند «رول به رول» در تولید سلول‌های باتری است که سرعت تولید را به شدت افزایش می‌دهد.

با وجود خطر آتش‌سوزی در برخی باتری‌های لیتیوم‌یونی، داده‌ها نشان می‌دهد که این خطر به‌مراتب کمتر از خودروهای بنزینی است. از هر ۱۰۰ هزار خودروی برقی تنها حدود ۲۵ مورد آتش‌سوزی گزارش می‌شود، در حالی که این آمار برای خودروهای معمولی نزدیک به ۱۵۰۰ مورد است.

با این حال، رقابت با صنعت لیتیوم‌يون که زیرساخت بسیار وسیعی دارد، کار آسانی نیست. مک‌کالا اظهار می‌دارد که ممکن است فناوری‌های فعلی به‌قدری پیشرفته باشند که باتری‌های حالت‌جامد نتوانند به سطح آن‌ها برسند.

اما برخی کارشناسان هنوز بر این باورند که باتری‌های جدید قادرند بازی را تغییر دهند، به‌ویژه از منظر ژئوپلیتیک؛ چرا که در حال حاضر چین حدود ۷۰ درصد از تولید جهانی باتری‌های لیتیوم‌یونی را در اختیار دارد.

ظرفیت فنی و مزایای عملکردی

یکی از بزرگ‌ترین مزایای باتری‌های حالت‌جامد، عملکرد بهتر آن‌ها در شارژ سریع و دامنه حرکتی است. الکترولیت مایع در باتری‌های موجود هنگام شارژ سریع دچار تخریب شیمیایی شده، اما مواد جامد این مشکل را ندارند.

به همین دلیل، باتری‌های حالت‌جامد می‌توانند ولتاژهای بالاتری را تحمل کنند و در کمتر از ۱۰ دقیقه به‌طور کامل شارژ شوند.

در الکترود منفی یا آند نیز تحولی بزرگ در حال وقوع است. باتری‌های سنتی از گرافیت برای ذخیره یون‌های لیتیوم بهره می‌برند.

گرافیت ماده‌ای پایدار و ارزان است، اما وزن بالایی دارد و بخشی از فضای باتری را بلااستفاده اشغال می‌کند. در عوض، باتری‌های حالت‌جامد می‌توانند از آند فلزی لیتیومی بهره ببرند که انرژی بسیار بیشتری را در هر گرم ذخیره می‌کند.

این فناوری از اوایل دهه ۱۹۷۰ مورد بررسی قرار گرفته، اما به‌دلیل مشکلات ایمنی، استفاده از آن به همراه الکترولیت مایع همواره چالش‌برانگیز بوده است.

یون‌های لیتیوم در هنگام شارژ ممکن است به شکل شکاف‌های فلزی رشد کنند که مانند سوزن از لایه جداکننده عبور کرده و موجب اتصال کوتاه و آتش‌سوزی شوند. اما در طراحی حالت‌جامد، الکترولیت جامد به قدری سخت است که از ایجاد این شکاف‌ها جلوگیری می‌کند.

به گفته واکسمن، این ساختار جدید علاوه بر پایداری در ولتاژ بالا، در برابر فلز لیتیوم نیز مقاوم بوده و خطر آتش‌سوزی را به‌طرزی چشمگیر کاهش می‌دهد.

چالش‌های تولید در مقیاس صنعتی

اگرچه بسیاری از مشکلات از نظر علمی رفع شده‌اند، اما تولید انبوه این باتری‌ها هنوز با دشواری مواجه است. مواد سوپریونیک نوع سولفیدی که برای نخستین بار توسط پژوهشگران ژاپنی در سال ۲۰۱۱ شناسایی شدند، گزینه اصلی برای تجاری‌سازی محسوب می‌شوند.

شرکت‌هایی نظیر Solid Power در آمریکا، Factorial Energy در ماساچوست و غول چینی CATL سرمایه‌گذاری‌های چشمگیری در این زمینه انجام داده‌اند.

مزیت اصلی این مواد این است که می‌توانند در خطوط تولید فعلی باتری‌های لیتیوم‌یونی استفاده شوند، اما حساسیت بالای آن‌ها نسبت به رطوبت به‌عنوان مانع اصلی شناخته می‌شود. ورود رطوبت می‌تواند گاز سمی سولفید هیدروژن تولید کند که به‌شدت خطرناک است.

برای حل این مشکل، برخی شرکت‌ها مانند کوانتوم‌اسکیپ و Ion Storage Systems به سمت مواد اکسیدی رفته‌اند که در واقع نوعی سرامیک مقاوم در برابر رطوبت و حرارت به شمار می‌روند.

این مواد ایمن‌تر هستند، اما تولید آن‌ها دشوارتر است زیرا سرامیک‌ها شکننده‌اند و قادر به انطباق با روش‌های سریع تولید «رول به رول» نیستند. بنابراین، تولید آن‌ها نیازمند تجهیزات دقیق و هزینه‌بر است.

همچنین در هر چرخه شارژ و دشارژ، ضخامت سلول به‌طور جزئی تغییر می‌کند که در طراحی صنعتی باید مد نظر قرار گیرد. شرکت کوانتوم‌اسکیپ این مسئله را با طراحی خاصی برطرف کرده است، به‌طوری‌که چندین لایه نازک اکسیدی روی هم چیده می‌شوند و فضایی لازم برای انبساط و انقباض در نظر گرفته می‌شود.

آینده‌ای نزدیک در دسترس

با وجود هزینه‌های بالا و چالش‌های فنی، بیشتر کارشناسان بر این باورند که باتری‌های حالت‌جامد در نهایت به بازار خواهند آمد.

واکسمن تأکید می‌کند که خودروسازان تنها زمانی به این فناوری روی خواهند آورد که از لحاظ کارایی برتر و از نظر هزینه نیز به صرفه باشد. برای تحقق این هدف، باید کارخانجات بزرگ تولید، که به گیگافکتوری‌ها نیز معروف‌اند، راه‌اندازی شوند تا هزینه‌ها کاهش یابد.

لولی نیز بر این باور است که تقاضا برای این باتری‌ها حتمی خواهد بود، زیرا ترکیب آند فلز لیتیوم با الکترولیت جامد می‌تواند سه مزیت کلیدی شامل: انرژی بیشتر، توان بالاتر و ایمنی بهتر را به ارمغان آورد. او می‌افزاید که این خصوصیات تنها برای خودروهای برقی اهمیت ندارد، بلکه برای پهپادها و حتی هواپیماهای برقی نیز از اهمیت بالایی برخوردار است.

در خاتمه، مسیر دستیابی به باتری‌های حالت‌جامد ممکن است چند سال دیگر طول بکشد، اما جهت‌گیری صنعت کاملاً مشخص است. فناوری‌ای که روزگاری تنها یک رؤیای علمی به نظر می‌رسید، اکنون به مرحله‌ای رسیده که می‌تواند سرنوشت حمل و نقل جهانی را دگرگون کند.