پژوهشگران سراسر جهان با سرعتی بی‌سابقه در تلاش‌اند تا باتری‌های حالت‌جامد را از آزمایشگاه به خودروهای برقی بیاورند؛ فناوری‌ای که می‌تواند حمل‌ونقل را متحول کند.
به گزارش تکراتو و به نقل از arstechnica، هر چند هفته یک‌بار خبر جدیدی از پیشرفت در زمینه باتری‌های حالت‌جامد منتشر می‌شود. این نسل تازه از باتری‌ها نوید دنیایی را می‌دهد که خودروهای برقی دیگر هیچ‌گونه نگرانی از نظر ایمنی، سرعت شارژ یا برد حرکتی نداشته باشند.
باتری‌های حالت‌جامد قرار است سبک‌تر، کوچک‌تر و بسیار ایمن‌تر از باتری‌های لیتیوم‌یونی فعلی باشند؛ زیرا هیچ ماده قابل اشتعالی درون آن‌ها وجود ندارد. همچنین انرژی بیشتری در خود ذخیره می‌کنند و می‌توانند خودروهای برقی را تا بیش از ششصد مایل با یک بار شارژ حرکت دهند.
باتری‌های حالت‌جامد در خودروهای برقی
زمان شارژ نیز قرار است دگرگون شود؛ دیگر خبری از نیم ساعت انتظار برای شارژ سریع نخواهد بود. باتری‌های حالت‌جامد می‌توانند ظرف چند دقیقه شارژ کامل شوند، تقریبا همان‌قدر سریع که باک یک خودرو بنزینی پر می‌شود.
اما این آینده هنوز به امروز نرسیده است. اگر کسی بخواهد امسال یا حتی سال آینده خودرویی با باتری حالت‌جامد بخرد، چنین گزینه‌ای در بازار وجود ندارد. با این حال، بسیاری از دانشمندان خوش‌بین‌اند که تا سال ۲۰۲۷ نمونه‌های اولیه و تا سال ۲۰۳۰ تولید انبوه این باتری‌ها ممکن خواهد شد.
«جون لیو» دانشمند مواد از دانشگاه واشینگتن می‌گوید صنایع باتری در حال آماده‌سازی مسیر توسعه‌ای هستند که بتوانند تا پایان دهه، تولید صنعتی باتری‌های حالت‌جامد را آغاز کنند.
به گفته او، چالش اصلی دیگر در اثبات امکان‌پذیری فنی این فناوری نیست، بلکه در پیدا کردن راهی برای تولید انبوه و کاهش هزینه‌هاست.
مواد سوپریونیک؛ کلید موفقیت جدید
«اریک مک‌کالا» از دانشگاه مک‌گیل کانادا می‌گوید تا همین یکی دو دهه پیش، پیشرفت‌هایی که اکنون در حوزه باتری‌ها می‌بینیم غیرقابل تصور بود.
تا قبل از سال ۲۰۱۰، باتری حالت‌جامد ایده‌ای بود که روی کاغذ عالی به نظر می‌رسید، اما کسی نمی‌دانست چطور باید آن را عملی کرد.
در باتری‌های لیتیوم‌یونی فعلی، الکترولیت مایع میان دو قطب مثبت و منفی حرکت یون‌های لیتیوم را ممکن می‌کند. این مایع بسیار قابل اشتعال است، اما کار انتقال یون‌ها را به‌خوبی انجام می‌دهد.
در طراحی جدید، قرار است این مایع با یک الکترولیت جامد جایگزین شود که خطر آتش‌سوزی ندارد و می‌تواند کارایی را نیز افزایش دهد.
مشکل اینجا بود که حرکت یون‌ها در مواد جامد بسیار کندتر از مایعات است. اما در دو دهه اخیر، گروهی از مواد جدید به نام ترکیبات لیتیوم‌دار سوپریونیک کشف شده‌اند که برخی از اتم‌های آن‌ها مانند جامد رفتار می‌کنند و برخی دیگر مانند مایع.
این ویژگی باعث می‌شود یون‌های لیتیوم درون آن‌ها با سرعتی مشابه یا حتی بیشتر از الکترولیت‌های مایع حرکت کنند.
به این ترتیب، مانع اصلی از میان برداشته شد. هرچند برخی از این مواد بسیار شکننده‌اند یا در تماس با رطوبت، گاز سمی سولفید هیدروژن تولید می‌کنند، اما ظرفیت بالای آن‌ها باعث شده سرمایه‌گذاری‌های عظیمی در سراسر جهان آغاز شود.
شرکت‌هایی چون تویوتا، فولکس‌واگن و چندین استارتاپ دیگر میلیاردها دلار برای توسعه این فناوری هزینه کرده‌اند.
«اریک واکسمن» از دانشگاه مریلند می‌گوید تقریبا تمام خودروسازان بزرگ معتقدند آینده از آن باتری‌های حالت‌جامد است. پرسش اصلی دیگر این نیست که آیا این فناوری به بازار می‌آید یا نه، بلکه این است که چه زمانی این اتفاق خواهد افتاد.
برتری و چالش در برابر باتری‌های لیتیوم‌یونی
باتری‌های لیتیوم‌یونی بیش از سی سال است که تولید می‌شوند و در این مدت به شدت بهینه و ارزان شده‌اند.
«الکس لولی» از استارتاپ کوانتوم‌اسکیپ در کالیفرنیا می‌گوید زمانی که شرکت سونی نخستین باتری تجاری لیتیوم‌یونی را در سال ۱۹۹۱ معرفی کرد، هر کیلووات ساعت انرژی آن حدود ۷۵۰۰ دلار هزینه داشت.
اما در سال ۲۰۲۵، این عدد به حدود ۱۱۵ دلار کاهش یافته و پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۰ به کمتر از ۸۰ دلار برسد؛ رقمی که خودروهای برقی را از نظر قیمت با خودروهای بنزینی رقابت‌پذیر می‌کند.
پیشرفت در این زمینه بیشتر به‌دلیل بهبود فرآیندهای تولید بوده تا کشفیات شیمیایی جدید. یکی از عوامل اصلی کاهش هزینه، استفاده از فرآیند «رول به رول» در ساخت سلول‌های باتری است که سرعت تولید را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد.
با وجود خطر آتش‌سوزی در برخی باتری‌های لیتیوم‌یونی، آمارها نشان می‌دهد این خطر بسیار کمتر از خودروهای بنزینی است. از هر ۱۰۰ هزار خودروی برقی تنها حدود ۲۵ مورد آتش‌سوزی رخ می‌دهد، در حالی که این عدد برای خودروهای معمولی حدود ۱۵۰۰ است.
با این حال، رقابت با صنعت لیتیوم‌یون که زیرساخت عظیمی دارد کار ساده‌ای نیست. مک‌کالا می‌گوید ممکن است قطار فناوری فعلی آن‌قدر پیش رفته باشد که باتری‌های حالت‌جامد نتوانند به آن برسند.
اما برخی کارشناسان همچنان معتقدند باتری‌های جدید می‌توانند بازی را عوض کنند، به‌ویژه از منظر ژئوپلیتیک؛ زیرا در حال حاضر چین بیش از ۷۰ درصد تولید جهانی باتری‌های لیتیوم‌یونی را در اختیار دارد.
ظرفیت فنی و مزایای عملکردی
یکی از مهم‌ترین مزایای باتری‌های حالت‌جامد عملکرد بهتر در شارژ سریع و برد حرکتی است. الکترولیت مایع در باتری‌های فعلی هنگام شارژ سریع دچار تخریب شیمیایی می‌شود، 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 تحول بزرگی رخ می‌دهد. باتری‌های سنتی از گرافیت برای ذخیره یون‌های لیتیوم استفاده می‌کنند.
گرافیت ماده‌ای پایدار و ارزان است اما وزن بالایی دارد و بخشی از فضای باتری را بی‌استفاده اشغال می‌کند. در مقابل، باتری‌های حالت‌جامد می‌توانند از آند فلزی لیتیومی استفاده کنند که انرژی بسیار بیشتری در هر گرم ذخیره می‌کند.
این فناوری از دهه ۱۹۷۰ در آزمایشگاه‌ها بررسی شده، اما استفاده از آن در کنار الکترولیت مایع همواره با مشکلات ایمنی همراه بوده است.
یون‌های لیتیوم در هنگام شارژ ممکن است به شکل شاخه‌های 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 اندازه کافی سخت است تا از تشکیل این شاخه‌ها جلوگیری کند.
به گفته واکسمن، این ساختار جدید علاوه بر پایداری در ولتاژ بالا، در برابر فلز لیتیوم نیز مقاوم است و خطر آتش‌سوزی را تقریبا از بین می‌برد.
چالش‌های تولید در مقیاس صنعتی
اگرچه از نظر علمی بسیاری از مشکلات حل شده‌اند، اما ساخت انبوه این باتری‌ها همچنان دشوار است. مواد سوپریونیک نوع سولفیدی که نخستین‌بار توسط پژوهشگران ژاپنی در سال ۲۰۱۱ کشف شدند، گزینه اصلی تجاری‌سازی به شمار می‌روند.
شرکت‌هایی مانند Solid Power در آمریکا، Factorial Energy در ماساچوست و غول چینی CATL سرمایه‌گذاری‌های بزرگی در این حوزه انجام داده‌اند.
مزیت اصلی این مواد آن است که می‌توانند در خطوط تولید فعلی باتری‌های لیتیوم‌یونی به کار گرفته شوند، اما حساسیت بالای آن‌ها به رطوبت مانع اصلی است. ورود رطوبت می‌تواند گاز بسیار سمی سولفید هیدروژن تولید کند که خطرناک است.
برای رفع این مشکل، برخی شرکت‌ها مانند کوانتوم‌اسکیپ و Ion Storage Systems به سراغ مواد اکسیدی رفته‌اند که در واقع نوعی سرامیک مقاوم در برابر رطوبت و حرارت هستند.
این مواد ایمن‌ترند، اما ساخت آن‌ها دشوارتر است زیرا سرامیک شکننده بوده و با روش‌های سریع رول به رول سازگار نیست. در نتیجه، تولید نیاز به تجهیزات دقیق و گران‌قیمت دارد.
همچنین در هر چرخه شارژ و دشارژ، ضخامت سلول کمی تغییر می‌کند که در طراحی صنعتی باید مد نظر قرار گیرد. شرکت کوانتوم‌اسکیپ این مشکل را با طراحی خاصی حل کرده که در آن چندین لایه نازک اکسیدی روی‌هم چیده می‌شوند و فضای کافی برای انبساط و انقباض در نظر گرفته شده است.
آینده‌ای نه چندان دور
با وجود هزینه‌ها و دشواری‌های فنی، بیشتر کارشناسان معتقدند باتری‌های حالت‌جامد در نهایت وارد بازار خواهند شد.
واکسمن تأکید می‌کند که خودروسازان تنها زمانی به سراغ این فناوری می‌روند که هم کارایی بهتری داشته باشد و هم ارزان‌تر تولید شود. برای این منظور باید کارخانه‌های عظیم تولید موسوم به گیگافکتوری‌ها ساخته شوند تا هزینه‌ها کاهش یابد.
لولی نیز معتقد است تقاضا برای این باتری‌ها قطعی است، زیرا ترکیب آند فلز لیتیوم با الکترولیت جامد می‌تواند سه مزیت کلیدی ایجاد کند: انرژی بیشتر، توان بالاتر و ایمنی بهتر. او می‌گوید این ویژگی‌ها نه تنها برای خودروهای برقی بلکه برای پهپادها و حتی هواپیماهای برقی نیز اهمیت دارد.
در نهایت، مسیر رسیدن به باتری‌های حالت‌جامد ممکن است چند سال دیگر طول بکشد، اما جهت‌گیری صنعت روشن است. فناوری‌ای که روزی فقط یک رؤیای علمی بود، اکنون به مرحله‌ای رسیده که می‌تواند آینده حمل‌ونقل جهان را متحول کند.
