جنرال موتورز با باتری جدید LMR، استراتژی خودروهای برقی را متحول می‌کند: کاهش ۴۰ درصدی هزینه و عمر ۱.۴ میلیون مایل

صنعت خودروهای برقی در دهه گذشته به دنبال یک مثلث به ظاهر غیرممکن بوده است: برد طولانی، هزینه کم و زنجیره‌های تأمین اخلاقی. سال‌ها، خودروسازان مجبور به مصالحه بودند و برای برد بالا باتری‌های گران‌قیمت نیکل و کبالت یا برای قیمت پایین‌تر باتری‌های ارزان‌تر مبتنی بر آهن را انتخاب می‌کردند که برد کمتری داشتند.

اکنون، جنرال موتورز ادعا می‌کند که این مصالحه را شکسته است. در یک تغییر استراتژیک بزرگ، جنرال موتورز و شریک سرمایه‌گذاری مشترک آن، ال‌جی انرژی سلوشن، از یک شیمی باتری جدید غنی از لیتیوم-منگنز (LMR) رونمایی کرده‌اند که نویدبخش تغییر اساسی در اقتصاد خودروهای برقی است.[2]

سلول‌های جدید LMR به گونه‌ای طراحی شده‌اند که ۴۰ درصد کاهش در هزینه‌های پک باتری ایجاد کنند، در حالی که چگالی انرژی بالا مورد نیاز برای خودروهای سنگین و با برد طولانی را حفظ می‌کنند.

به گفته کورت کلتی، رئیس بخش باتری جنرال موتورز، انتظار می‌رود این فناوری به «اسب کار» جدید این خودروساز تبدیل شود و نسل بعدی کامیون‌ها و شاسی‌بلندهای فول‌سایز برقی آن را تأمین کند. اگر این شیمی با موفقیت به مقیاس برسد، می‌تواند تا ۶۰۰۰ دلار از هزینه خودرویی مانند شورلت سیلورادو برقی کم کند و قیمت نهایی آن را مستقیماً با همتایان موتور احتراقی خود برابر سازد.[1][3]

برای درک اهمیت LMR، بهتر است به دو شیمی که در حال حاضر بر بازار خودروهای برقی تسلط دارند نگاه کنیم. باتری‌های نیکل-منگنز-کبالت (NMC) چگالی انرژی و برد عالی ارائه می‌دهند، اما متکی بر مواد اولیه گران‌قیمت و نوسان‌پذیر هستند. به ویژه کبالت، پرهزینه است و به شدت با نقض حقوق بشر در جمهوری دموکراتیک کنگو مرتبط است.

در انتهای دیگر طیف، لیتیوم آهن فسفات (LFP) قرار دارد، یک جایگزین ارزان‌تر و بدون کبالت که به استاندارد جهانی برای خودروهای برقی اقتصادی تبدیل شده است. با این حال، باتری‌های LFP سنگین‌تر هستند و انرژی کمتری ذخیره می‌کنند، که آن‌ها را برای نیازهای بکسل و باربری عظیم کامیون‌های پیکاپ آمریکایی نامناسب می‌سازد.[1][2]

شیمی LMR جنرال موتورز این شکاف را با حذف کامل کبالت و کاهش چشمگیر نیکل پر می‌کند. ترکیب کاتد جدید تقریباً ۶۵ درصد منگنز و ۳۵ درصد نیکل است. منگنز پنجمین فلز فراوان روی زمین است، که آن را بسیار ارزان‌تر و از نظر قیمت پایدارتر از نیکل یا کبالت می‌سازد. جنرال موتورز با تکیه زیاد بر این منبع فراوان، می‌تواند سلول‌های LMR را تقریباً با همان هزینه باتری‌های LFP تولید کند، اما با یک مزیت عملکردی حیاتی.[1][2]

این مزیت به چگالی انرژی باز می‌گردد. جنرال موتورز و ال‌جی انرژی سلوشن گزارش می‌دهند که سلول‌های LMR چگالی انرژی ۳۳ درصد بالاتری نسبت به بهترین سلول‌های LFP موجود در بازار ارائه می‌دهند. برای خودرویی مانند جی‌ام‌سی هامر برقی یا سیلورادو برقی، این به معنای حفظ برد رانندگی بیش از ۴۰۰ مایل بدون جریمه وزن زیادی است که پک LFP تحمیل می‌کرد. چگالی انرژی بالا به مهندسان اجازه می‌دهد تا پک‌های باتری کوچک‌تر و سبک‌تری بسازند که همچنان عملکردی عالی ارائه می‌دهند.[2]

طراحی فیزیکی باتری نیز در حال تغییر است. باتری‌های جدید LMR به جای استفاده از سلول‌های استوانه‌ای مورد علاقه تسلا یا سلول‌های کیسه‌ای که جنرال موتورز قبلاً به آن‌ها متکی بود، به صورت سلول‌های منشوری (Prismatic) با فرمت بزرگ تولید می‌شوند.

سلول‌های منشوری مستطیلی هستند و می‌توانند به صورت فشرده روی هم چیده شوند و فضای هدر رفته در داخل پک باتری را از بین ببرند. این کارایی بسته‌بندی به جنرال موتورز اجازه می‌دهد تا تعداد اجزای سطح پک را تا ۷۵ درصد کاهش دهد، که هزینه‌های تولید را بیشتر پایین می‌آورد و وزن اضافی را حذف می‌کند.[2]

مدیریت حرارتی سلول‌های منشوری نیز مزایای متمایزی ارائه می‌دهد. محفظه‌های آلومینیومی مسطح آن‌ها در دفع گرما بسیار مؤثر هستند، که عملکرد خنک‌سازی را در طول جلسات شارژ سریع DC بهبود می‌بخشد. این سادگی ساختاری همراه با شیمی پایدار منگنز، یک باتری بسیار بادوام ایجاد می‌کند. در آزمایشگاه‌های تحقیق و توسعه جنرال موتورز، سلول‌های نمونه اولیه LMR قبلاً معادل ۱.۴ میلیون مایل رانندگی خودروی برقی را بدون تجربه افت ولتاژ فاجعه‌بار تحمل کرده‌اند.

مسیر رسیدن به این پیشرفت طولانی بوده است. محققان از دهه ۱۹۹۰ از مزایای نظری کاتدهای غنی از منگنز آگاه بودند و جنرال موتورز از سال ۲۰۱۵ فعالانه در حال تحقیق بر روی این شیمی بوده است.

سال‌ها، این فناوری به دلیل موانع فنی جدی، به ویژه عمر کوتاه باتری و افت سریع ولتاژ در طول چرخه‌های شارژ مکرر، با مشکل مواجه بود. جنرال موتورز و ال‌جی ادعا می‌کنند که با توسعه پوشش‌های اختصاصی جدید و استفاده از مهندسی پیشرفته ذرات، سرانجام این شیمی را برای استفاده در خودرو تثبیت کرده‌اند.[1]

برای تسریع انتقال از آزمایشگاه به خط مونتاژ، جنرال موتورز یک مرکز عظیم ۵۰۰ هزار فوت مربعی توسعه سلول باتری در وارن، میشیگان افتتاح کرده است. این تأسیسات ۹۰۰ میلیون دلاری طراحی شده تا «دره مرگ» بین آزمایش نمونه اولیه و تولید انبوه را پر کند. جنرال موتورز امیدوار است با قرار دادن مهندسان تحقیق، اعتبارسنجی و تولید زیر یک سقف، یک سال کامل از جدول زمانی سنتی تجاری‌سازی بکاهد.

جدول زمانی برای استقرار این فناوری بسیار جاه‌طلبانه است. پیش‌تولید سلول‌های LMR قرار است در اواخر سال ۲۰۲۷ در تأسیسات ال‌جی انرژی سلوشن آغاز شود و تولید تجاری در مقیاس کامل برای سال ۲۰۲۸ برنامه‌ریزی شده است. این سلول‌ها در ایالات متحده از طریق سرمایه‌گذاری مشترک Ultium Cells تولید خواهند شد و تضمین می‌کنند که خودروهایی که از آن‌ها نیرو می‌گیرند، واجد شرایط دریافت اعتبارات مالیاتی فدرال تحت قانون کاهش تورم (Inflation Reduction Act) باشند.[1]

این پیشرفت، یک همسویی استراتژیک گسترده‌تر را در داخل جنرال موتورز به دنبال داشته است. این خودروساز قبلاً برنامه‌ریزی کرده بود که کارخانه باتری خود در اسپرینگ هیل، تنسی، را برای تولید سلول‌های LFP برای خودروهای سطح پایه خود تغییر کاربری دهد.

با این حال، از آنجایی که LMR ثابت کرده است که از نظر هزینه بسیار رقابتی است، جنرال موتورز اکنون در حال تغییر مسیر است. کارخانه اسپرینگ هیل همچنان سلول‌های LFP تولید خواهد کرد، اما آن‌ها به سمت سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ثابت برای شبکه برق هدایت خواهند شد و LMR به عنوان شیمی اصلی برای خودروهای سواری آینده باقی می‌ماند.[1][3]

فراتر از مشخصات مهندسی، تغییر مسیر به سمت LMR پیامدهای ژئوپلیتیکی عظیمی دارد. در حال حاضر، زنجیره تأمین جهانی باتری‌های LFP به شدت تحت سلطه تولیدکنندگان چینی مانند CATL و BYD است. جنرال موتورز با توسعه یک شیمی اختصاصی که متکی بر منابع لیتیوم و منگنز آمریکای شمالی و متحدان است، تلاش می‌کند تا زنجیره تأمین خود را از اختلافات تجاری بین‌المللی و تعرفه‌های قریب‌الوقوع مصون نگه دارد.[2]

با وجود خوش‌بینی‌ها، موانع قابل توجهی باقی مانده است تا LMR بتواند واقعاً بازار خودروهای برقی را دموکراتیزه کند. حیاتی‌ترین چالش، بازده تولید است. در صنعت باتری، یک شیمی جدید تنها زمانی از نظر تجاری مقرون‌به‌صرفه است که یک کارخانه بتواند به طور مداوم سلول‌های بی‌عیب و نقص را با نرخ بازده ۸۵ درصد یا بالاتر تولید کند.

مقیاس‌بندی یک فرآیند شیمیایی حساس از محیط آزمایشگاهی کنترل‌شده به یک خط تولید با سرعت بالا به طور مشهوری دشوار است و هرگونه تأخیر در دستیابی به بازده بالا می‌تواند جدول زمانی ۲۰۲۸ را به عقب بیندازد.

رقبا بیکار ننشسته‌اند. تویوتا به شدت در حال سرمایه‌گذاری بر روی باتری‌های حالت جامد است، در حالی که فورد و استلانتیس به سرعت در حال بومی‌سازی تولید LFP برای کاهش هزینه‌های خود هستند. با این حال، اگر جنرال موتورز و ال‌جی انرژی سلوشن بتوانند سلول منشوری LMR را طبق برنامه صنعتی‌سازی کنند، ممکن است نقطه شیرین و دست‌نیافتنی گذار به خودروهای برقی را پیدا کرده باشند: باتری‌ای که به اندازه کافی برای عموم ارزان، برای کامیون‌های آمریکایی قدرتمند و کاملاً عاری از کبالت است.[1]