۵ راه‌حل کمپانی‌های تولید باتری برای بهبود عملکرد باتری لیتیوم یونی

آیا عملکرد باتری لیتیوم یونی به حداکثر خود رسیده یا امکان بهبود هر چه بیشتر عملکرد آن وجود دارد؟ این مشکلی است که تمام شرکت‌های تولید باتری‌های برق و شرکت‌های خودروهای برقی خالص در حال حاضر به آن فکر و فعالانه به آن رسیدگی می‌کنند. در حال حاضر، به روزرسانی باتری‌های لیتیومی بر اساس موادی مثل آند گرافیت، الکترولیت و کاتد فلزی است که از نظر فنی دشوار و پیشرفت آن کند است.

انتقال از آنُد گرافیت به آند سیلیکون در باتری لیتیوم یونی

مواد آند باتری لیتیوم عمدتاً به مواد مبتنی بر کربن و مواد غیر کربنی تقسیم می‌شوند. مواد مبتنی بر کربن شامل آندهای گرافیت طبیعی، آندهای گرافیت مصنوعی و موارد مشابه‌اند. مواد غیر کربنی عمدتاً شامل مواد مبتنی بر سیلیکون و مواد مرکب‌اند. در حال حاضر، مواد مبتنی بر کربن که توسط گرافیت مصنوعی نشان داده می‌شوند، مواد اصلی مورد استفاده در آند باتری‌ها هستند که ۹۵٪ از سهم بازار مواد آند را به خود اختصاص می‌دهند.

با این حال، در این مرحله، لازمست که ماده آند گرافیت با محدودیت ظرفیت ویژه نظری نزدیک به ۳۷۲ میلی آمپر ساعت بر گرم با ماده آند با ظرفیت ویژه بالاتر جایگزین شود. انتظار می‌رود آندهای سیلیکونی به طور قابل توجهی چگالی انرژی و عملکرد باتری را بهبود ببخشند. ماده آند سیلیکون با مخلوط کردن نانو سیلیکون با مواد دیگر تهیه می‌شود و بعد تحت عملیات سطحی، تف جوشی، پودر شدن، غربالگری و مغناطیس‌زدایی قرار می‌گیرد.

در حال حاضر، ظرفیت ویژه برنامه‌های تجاری به ۵۰ میلی آمپر ساعت در گرم می‌رسد که هزینه آن کم است. با این حال، به دلیل عمر چرخه ضعیف، عمدتا در زمینه دیجیتال 3C استفاده می‌شود. اما اگر قرار است در زمینه وسایل نقلیه با انرژی جدید مورد استفاده قرار گیرد، لازم است عملکرد باتری بیشتر بهبود یابد.

اگرچه مقدار مواد سیلیکونی مورد استفاده در آندها کمتر از ۵٪ است، استفاده از آن به عنوان یک افزودنی به دلیل افزایش حجم طبیعی و در نتیجه پایداری و مشکلات عمر چرخه دشوار است. با این حال، فناوری آند سیلیکون در طول ۱۵-۱۰ سال گذشته به طور پیوسته بهبود یافته و به باتری‌ها اجازه می‌دهد از ۱۰۰-۵٪ سیلیکون در آند استفاده کنند که همین عملکردشان را بیشتر بهبود می‌بخشد.

روش جدید سنتز کاتد در تولید باتری لیتیوم یونی

باتری‌های لیتیوم یونی آینده ممکن است از مجموعه مشابهی از مواد کاتدیِ موجود در بازار استفاده کنند. LNMOها  یا LMFPهای مرتبط(کاتدهایی با عملکرد بالا) با LFP (فسفات آهن لیتیوم) را می‌شود یک استثنا در نظر گرفت، اگرچه هیچ کدام چگالی انرژی را بهبود نمی‌بخشند، اما مبادلات متفاوتی از عملکرد بالا و هزینه کم ارائه می‌دهند. کاتدهای NMC (نیکل منگنز کبالت) غنی از لیتیوم منگنز می‌توانند عملکرد باتری را تا حدی بهبود ببخشند، اما توسعه تجاری‌شان محدود و کند است.

بهبود در مواد کاتدی به طور کلی افزایشی است. در عوض، بزرگ‌ترین تغییر در فناوری و نوآوری کاتد ممکن است از روش سنتز آنها ناشی شود. تکنیک‌های سنتز کنونی مستلزم حفظ دماهای بالا در دوره‌های زمانی نسبتاً طولانی و در عین حال استفاده از مقادیر زیادی از معرف‌ها و آب است که منجر به هزینه‌های تولید بالا و اثرات زیست‌محیطی می‌شود.

الکترولیت‌های جامد و فرمول‌های الکترولیت جدید

در صنعت تولید الکترولیت‌های جدید، الکترولیت‌های حالت جامد توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. باتری حالت جامد تقریباً غیر قابل احتراق است، که حساسیت بسته باتری را به دما کاهش می‌دهد، خطر اتصال کوتاه دندریت‌های لیتیوم ناشی از پدیده بارش لیتیوم را از بین می‌برد و به طور موثر کاتد و آند را با عایق خوب مسدود می‌کند.

با این حال، هدف دستیابی به تولید انبوه تجاری باتری‌های حالت تمام جامد هنوز هدفی نسبتا بلند مدت است. استفاده فعلی از افزودنی‌های جدید و فرمولاسیون الکترولیت می‌تواند سیستم‌های الکترولیت مایع و عملکرد باتری را بهبود ببخشد. به عنوان مثال، افزودنی‌های الکترولیت و حلال‌های مبتنی بر ترکیبات فسفاژن و نیتروژن فسفر، ایمنی و عملکرد باتری را با بهبود پایداری حرارتی و بهبود تشکیل فیلم SEI (فرآیند واکنش الکتروشیمیایی) بالا می‌برد.

در درازمدت، باتری‌های حالت جامد هدف نهایی فناوری باقی می‌مانند و به الکترولیت‌های حالت جامد اجازه می‌دهند تا جایگزین الکترولیت‌های مایع قابل اشتعال فعلی شوند، در نتیجه ایمنی باتری و عملکرد باتری تا حد زیادی بهبود می‌یابد. بر طبق داده‌ها، انتظار می رود بازار باتری‌های حالت جامد تا سال ۲۰۳۱ به بیش از ۸ میلیارد دلار افزایش یابد، در حالی که الکترولیت‌های مایع هنوز بخش مهمی از بازارند. چالش‌ها در پایداری، عمر چرخه، قابلیت ساخت و حتی ایمنی سیستم‌های الکترولیت جامد به این معناست که رقابت بین سیستم‌های مختلف الکترولیت ادامه دارد.

بهینه‌سازی فضای داخلی بسته باتری لیتیوم یونی

صرفاً استفاده از مواد کاتدی جدید و الکترولیت‌ها برای بهبود عملکرد باتری دارای محدودیت‌های فنی قابل توجهی است. برای وسایل نقلیه الکتریکی، بهبود طراحی فضای بسته باتری و ظرفیت آن، راه کلیدی دیگری برای بهبود عملکرد باتری است. خیلی از شرکت‌های خودروسازی باتری‌هایی به صورت بسته‌های حاوی تک‌باتری‌های سری و موازی را عرضه کرده‌اند که این کار برای حذف مواد مرتبط با محفظه‌های ماژول و بهینه‌سازی راندمان بسته‌بندی انجام می‌شود و در نهایت به افزایش چگالی انرژی و بهبود ادغام باتری در خودرو کمک می‌کند.

سیستم مدیریت باتری هوشمندتر

بهبود در سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) می‌تواند راهی برای بهبود چندین جنبه عملکرد باتری فراهم کند. این بهینه سازی، عملکرد باتری را از طریق بهبود عملکرد نرم افزار تحت شرایط کاتد و آند و مواد الکترولیت داده شده بالا می‌برد. سه عملکرد اصلی یک BMS، نظارت بر باتری، تخمین وضعیت شارژ (SOC) و مدیریت حرارتی کارآمد است. اندازه گیری دقیق دما برای وضعیت کار بسته باتری بسیار مهم و تضمین کننده ایمنی آن است.

دقت و قابلیت تصحیح خطا در وضعیت شارژ مبنای عملکرد عادی سیستم مدیریت باتری است و بدون داده‌های دقیق آن، بسته باتری نمی‌تواند حداکثر بازده کاری خود را اعمال کند و هیچ مقدار از عملکردهای حفاظتی بیهوده نخواهد بود. مدیریت حرارتی کارآمد تضمین می‌کند که باتری در یک محدوده دمایی معمولی کار می‌کند و با فعال کردن استراتژی حفاظت از دمای بیش از حد در سناریوهای ضروری، عملکرد ایمن و منظم باتری را تضمین و از سناریوی خرابی خطرناک فرار حرارتی باتری جلوگیری می‌کند.

علاوه بر وسایل نقلیه الکتریکی، سیستم بهبود یافتهء مدیریت باتری برای سایر مصارف نهایی مثل گوشی‌های هوشمند یا باتری‌های ابزار برقی هم خیلی خیلی ارزشمند است. در حالی که توسعه باتری اغلب شامل معاوضه بین ویژگی‌های کلیدی عملکرد باتری مثل تراکم انرژی، عمر چرخه، شارژ سریع و ایمنی است، بهبود سیستم مدیریت باتری می‌تواند عملکرد همه این ویژگی‌ها را بالا ببرد.

نتیجه‌گیری نهایی

بهبود عملکرد باتری و کاهش هزینه البته بسیار بیشتر از چندین راه ذکر شده در این مقاله است. اگرچه بعضی از روش‌ها ممکن است نتوانند به تولید انبوه دست یابند، اما توسعه پایداری را برای عملکرد باتری لیتیومی فراهم می‌کنند.

منبع: Takoma Battery