برد خودروهای الکتریکی به لطف بکارگیری فناوری قدیمی در باتری تا ۱۱۰۰ کیلومتر افزایش می‌یابد

تأمین باتری یکی از چالش‌های پیش‌روی صنعت خودروهای برقی است. ماه می امسال مدیر تأمین شرکت تسلا بیان کرد درحال برنامه‌ریزی و آماده‌شدن برای مواجه با کمبود مواد کلیدی باتری هستند. خودروسازان در حال کار روی پیاده‌سازی استراتژی ادغام عمودی در سازمان خود و ساخت باتری هستند تا خیالشان از بابت تأمین باتری در موارد مورد نیاز راحت باشد.

علت اصلی کمبود این است که باتری‌های لیتیوم-یون، [تنها] استاندارد سلول‌های قابل شارژ هستند و در هرچیزی، از دوربین‌ها و تلفن‌ها گرفته تا خودروها استفاده می‌شوند. علاوه بر گران‌بودن و وابستگی به منابع اولیه کمیاب، باتری‌های لیتیوم-یون خطراتی همچون داغ‌شدن، آتش‌گرفتن و حتی انفجار را هم دارند و به همین دلیل خطوط هوایی تمایلی ندارند این باتری‌ها را حتی حمل کنند. از آن طرف، ساخت کارخانه‌های تولید باتری لیتیوم-یون بسیار گران تمام می‌شود و بسیار هم زمان‌بر است. Tesla فقط قریب به ۵ میلیارد دلار در کارخانه‌ گیگافکتوری خود در نوادا سرمایه‌گذاری کرده است تا بتواند مدل 3 را در داخل شرکت تولید کند. درحال حاضر ظرفیت تولید باتری تسلا درحدود ۲۴ گیگاوات ساعت است و پس از تکمیل ظرفیت در سال آینده به ۳۵ گیگاوات ساعت خواهد رسید.

در چنین شرایطی، چیزی که درحال حاضر درباره باتری‌ها واقعاً اهمیت دارد و به آن نیاز داریم این است: معماری جدیدی که روش ساخت راحت‌تری داشته باشد. اگر چگالی انرژی بیشتر و سرعت شارژ سریع‌تری هم داشته باشد که نور علی نور می‌شود و کاملاً مناسب استفاده در خودروها خواهد بود.

حال شرکتی به نام XNRGI مستقر در حوالی پورتلند اورگان مدعی‌ است که پاسخ را یافته است. اما فرق XNRGI [بخوانید اِکس اِنرجی] با سایرین در این است که آن‌ها چندین حق اختراع ثبت شده و نشده دارند که مستقیماً به تکنولوژی باتری‌شان به نام Powerchip مربوط می‌شود و مضاف بر آن، از طرف بخش تحقیق و توسعه سازمان انرژی ایالات‌متحده نیز سرمایه دریافت کرده‌اند. با این اوصاف، یعنی داشتن سرمایه و حق اختراعات محفوظ، خیلی هم مشتاق هستند تا به همه‌ دنیا اعلام کنند دقیقاً چه ساخته‌اند.

رئیس هیات مدیره XNRGI، آقای کریس دی-کوتو می‌گوید:

معتقدیم دیگر پاسخ بسیاری از مشکلات باتری‌های لیتیوم-یون را یکجا در اختیار داریم.

تفاوت کلیدی یک باتری لیتیوم-یون معمولی با باتری پاورچیپ XNRGI در نحوه‌ ترکیب‌بندی آنهاست. یعنی درحالیکه ساختار باتری‌های لیتیوم-یون شامل دوغابی از گرافیت روی یک رسانای مسطح دوبعدی است، باتری‌های XNRGI از فلز لیتیوم روی ویفر سیلیکونی سه‌بعدی استفاده می‌کند. ویفر سیلیکونی مورد استفاده‌ آن‌ها هم همان دیسک‌های سیلیکونی هستند که دهه‌هاست توسط سازندگان صنعت نیمه‌هادی‌ها تولید می‌شود.

درواقع ما چیزی را از یک صنعت برداشته و روی صنعت دیگری پیاده کرده‌ایم. و می‌توانیم به راحتی و بدون اینکه نیازی به سرمایه‌گذاری کلان برای ساخت کارخانه داشته باشیم، ویفرهای سیلیکونی را بخریم.

اما بهترین قسمت قضیه این است که باتری‌های XNRGI را با ویفرهای سیلیکونی قدیمی و ضخیم‌تری می‌سازند که امروزه دیگر تقاضایی برایشان وجود ندارد و از قبل هم زیرساخت‌های جهانی آن برای تولید ویفر ارزان در حجم انبوه موجود است.

مزیت اصلی ساخت باتری با استفاده از ویفر‌های سیلیکونی به فرایند معروف و از قبل توسعه یافته‌ دیگری در همین صنعت نیمه‌هادی‌ها مربوط می‌شود. در طراحی XNRGI از ویفرهای سیلیکونی مشبّک برای ایجاد سطحی شبیه بیسکوئیت ویفر استفاده می‌شود. هر دیسک تقریباً ۳۰ سانتی سیلیکون، ۱۶۰ میلیون خلل و فرج میکروسکوپی دارد که یک سمتشان با ماده‌ای نارسانا و سمت دیگرش با فلزی رسانا برای عبور جریان، روکش می‌شود.

حتی روش روکش کردن‌ها را چه در قسمت فلزی و چه در قسمت نارسانا، از صنعت تولید چیپ (تراشه) برداشته‌ایم و در این فرایند  چیزی را اختراع نکرده‌ایم.

ذات متخلخل ویفرها باعث افزایش سطح مقطع باتری تا ۷۰ برابر سطوح دوبعدی می‌شود. ضمناً تمام این روزنه‌ها به‌صورت فیزیکی از منافذ مجاور جدا هستند که این امر کمک می‌کند از اتصال‌ کوتاه جریان داخلی جلوگیری شده و باتری در طول زمان در برابر افت ظرفیت مقاوم شود. وی می‌گوید:

هرکدام از این چاله‌های ریز درواقع برای خودشان یک ریز باتری هستند و هرزمان هم که یکی از آن‌ها خراب شود، آن خرابی دیگر پخش نمی‌شود. این معماری، باتری‌ها را کاملا در برابر نشت جریان و انفجار، ایمن و مقاوم می‌کند.

تکنولوژی ویفر XNRGI به بخش آند باتری مربوط می‌شود. در یک باتری کاملا شارژ شده، آند حکم سطلی پر از الکترون را دارد. به مرور که باتری خالی می‌شود، الکترون‌ها از راه مدارها به سمت کاتد جاری می‌شوند و وقتی هم که باتری شارژ می‌شود، سطل آند دوباره پر می‌شود. دی-کوتو این‌طور توضیح می‌دهد:

امروزه وقتی از یک باتری لیتیوم-یون حرف می‌زنید یعنی لیتیوم کارگذاشته شده در کنار گرافیت. از ابتدای پیدایش باتری‌های لیتیومی هم همینطور بوده و از گرافیت در بخش آند باتری استفاده می‌کردند تا محلی برای انباشت و خالی شدن یون‌های لیتیوم باشد.

یکی از مزایای بزرگ طراحی مُشبّک ویفر سیلیکونی این است که قسمت آند XNRGI سطحی معادل هفتاد برابر سطح  گرافیت دارد و از لیتیوم خالص نیز استفاده می‌کند. درنتیجه، آند باتری پاورچیپ تقریباً ۱۰ برابر آند باتری‌های لیتیوم-یون معمول چگالی بیشتری دارد. وی اظهار می‌کند:

به چگالی انرژی بیشتری رسیدیم چون افزایش سطحی سه‌بعدی داشتیم.

یکی از دلایلی که باتری‌های قابل شارژ به مرور زمان دچار افت ظرفیت می‌شوند این است که آند مرتباً  درحال تکرار چرخه‌ شارژ و دشارژ (تخلیه) است که باعث پدیدآمدن رسوبات شیمیایی در سطح آند می‌شود و به آن‌ها دندرایت (dendrite)  یا رگه می‌گویند که مشابه قندیل‌های آهکی استالاکتیت هستند. نهایتاً این رگه‌ها در سطح جداساز بین آند و کاتد رسوخ کرده و ایجاد اتصالی می‌کنند. دی-کوتو می‌گوید:

وقتی رگه‌ها، سطح جداساز را سوراخ می‌کنند، خرابی سریع باتری چیزی است که نصیبتان می‌شود.

یون‌های لیتیوم مواد دیگری را هم با خود حمل می‌کنند که رسوباتی همچون پلاک در جداساز بین آند و کاتد باتری را تشکیل می‌دهند که اساساً باعث گرفتگی باتری و کاهش کارایی می‌شود. اما آند XNRGI به سبب روکش نارسانای ویفر سیلیکون در برابر تشکیل چنین پلاک‌هایی مقاوم بوده و باعث افزایش عمر باتری می‌شود. همچنین عناصری که همراه یون‌های لیتیوم حمل می‌شوند دیگر به سطح نچسبیده و نمی‌توانند به آسانی رسوب کنند و پلاک تشکیل دهند. دی-کوتو تخمین می‌زند عمر مفید باتری‌های XNRGI چیزی بین سه الی پنج برابر عمری است که امروزه باتری‌های لیتیوم-یون می‌توانند به آن برسند.

سطح بیشتر در پاورچیپ به این معنا است که می‌تواند درمقایسه با باتری‌های لیتیوم-یون معمولی، با سرعت بیشتری هم شارژ یا دشارژ شود. یعنی نه‌تنها نیروی بیشتری درهنگام رانندگی در اختیارتان قرار دارد بلکه مهم‌تر از آن، زمان شارژ سریعتری هم خواهید داشت.

به‌گفته‌ دی-کوتو، قسمت آند پاورچیپ قادر است ظرف 15 دقیقه از حالت خالی به 80 درصد شارژ برسد. یعنی در همین مدت هم می‌تواند  از 10 به 90 درصد که سناریوی رایج‌تری است برسد. علاوه بر شارژ سریع، XNRGI تخمین می‌زند باتری‌های پاورچیپ می‌توانند مسافت قابل پیمایش خودروهای برقی را در مقایسه با پک باتری لیتیوم-یون معمول، تا 280 درصد افزایش دهد. یعنی یک خودروی برقی با بُرد 400 کیلومتر می‌تواند حدود 1100 کیلومتر بُرد داشته باشد.

از سوی دیگر، باتری XNRGI بسیار سبک‌تر از باتری‌های امروزی است. درنتیجه خودروسازان می‌توانند با استفاده از باتری‌هایی کوچکتر، خودروهایی سبک‌تر با بهره‌وری بالا تولید کنند یا با همان وزن باتری‌های امروزی، خودرویی با برد حرکتی بیشتر تولید نمایند.

درحال حاضر، XNRGI درحال کار با شرکت‌هایی همچون تولید‌کنندگان لوازم مصرفی برقی و خودروسازان و حتی توزیع کنندگان شبکه برق است که انواع باتری‌های ریز و درشت را استفاده می‌کنند. این شرکت تخمین می‌زند فرایند اعطای مجوزها و اجرای آن در کالاهای مصرفی ظرف دو الی پنج سال آینده، بسته به نوع کاربرد، نهایی شود. دی-کوتو می‌گوید:

تخمین می‌زنیم باتری‌هایمان تا سال ۲۰۲۰ در لوازم نقلیه‌ای همچون موتورسیکلت‌، اسکوتر‌، ربات‌ و امثالهم استفاده شود. در بخش خودروهای برقی هم، ابتدا در مقیاس محدود سال ۲۰۲۲ یا ۲۰۲۳ و سپس تا سال ۲۰۲۴ در مقیاس انبوه به کار گرفته خواهد شد. این همان زمان مورد نیاز و معمول در صنعت خودروسازی برای تست و آزمایش‌های سنگین است.

حضور هم‌زمان ایمنی، سرعت، دوام و برد زیاد در تکنولوژی یک باتری، حقیقتاً برای صنعت خودروهای برقی تحول‌ساز خواهد بود. اما با نگاه به پشت سرمان و تمامی کوشش‌های فراوانی که تابحال محققین و مهندسین در سراسر دنیا انجام داده‌اند، جای تعجبی ندارد که ببینیم بالاخره کسی توانسته است به آن دست پیدا کند.