چگونه شیمی باتری — LFP، NMC یا NCA — هزینه، چگالی و طول عمر خودروی برقی را تعیین می‌کند

شما در محوطه یک نمایندگی ایستاده‌اید و به دو شاسی‌بلند برقی که ظاهراً یکسان هستند نگاه می‌کنید. یکی ۵,۰۰۰ دلار ارزان‌تر است اما ۶۵ کیلومتر برد کمتری دارد. فروشنده اشاره می‌کند که از باتری «LFP» استفاده می‌کند، در حالی که مدل گران‌تر از «NMC» استفاده می‌کند. برای دهه آینده مالکیت، این حروف الفبا که زیر کف خودرو قرار گرفته‌اند، نحوه رفت‌وآمد، نحوه شارژ و نحوه مقاومت خودرو در برابر یک صبح یخبندان دی‌ماه را تعیین خواهند کرد.

بازار خودروهای برقی از مرحله‌ای که باتری صرفاً یک باتری بود، عبور کرده است. خودروسازان به طور فزاینده‌ای خطوط تولید خود را بر اساس شیمی سلول‌ها تقسیم می‌کنند و مواد گران‌قیمت را برای مدل‌های با برد طولانی و ترکیبات ارزان‌تر را برای مدل‌های استاندارد اختصاص می‌دهند. درک مصالحه‌های مکانیکی و مالی بین لیتیوم آهن فسفات (LFP)، نیکل منگنز کبالت (NMC) و نیکل کبالت آلومینیوم (NCA) اکنون بخشی ضروری از فرآیند خرید خودرو است.[1]

رایج‌ترین شیمی در خودروهای برقی غربی با برد طولانی در طول دهه گذشته، NMC بوده است، در کنار خویشاوند نزدیک آن NCA، که توسط مدل‌های اولیه تسلا بسیار محبوب شد. هر دو برای دستیابی به چگالی انرژی بالا به نیکل و کبالت متکی هستند. این بدان معناست که آنها می‌توانند مقدار زیادی انرژی را در یک فضای فیزیکی نسبتاً کوچک و سبک بسته‌بندی کنند.[2]

برای یک راننده، چگالی انرژی بالا مستقیماً به حداکثر برد ترجمه می‌شود. اگر به طور منظم ۴۸۰ کیلومتر را در یک مسیر رانندگی می‌کنید، یا اگر یک وانت برقی سنگین می‌خرید که نیاز به یدک‌کشی تریلر دارد، NMC و NCA شیمی‌هایی هستند که این فیزیک را عملی می‌کنند. آنها ولتاژ لازم را بدون نیاز به یک بسته باتری آنقدر بزرگ که ظرفیت بار یا دینامیک هندلینگ خودرو را به خطر بیندازد، فراهم می‌کنند.[5]

با این حال، این چگالی انرژی با یک محدودیت رفتاری همراه است. باتری‌های NMC و NCA نسبت به نگه داشته شدن در حداکثر وضعیت شارژ بسیار حساس هستند. شارژ کردن آنها تا ۱۰۰٪ هر شب، تخریب سلول‌ها را تسریع می‌کند و به تدریج و به طور دائمی برد خودرو را کاهش می‌دهد. خودروسازان معمولاً توصیه می‌کنند که حد شارژ روزانه را روی ۸۰٪ قفل کنید و ظرفیت کامل باتری را فقط برای سفرهای جاده‌ای طولانی رزرو کنید.[3]

در این میان، LFP یا لیتیوم آهن فسفات وارد می‌شود. LFP که در ابتدا در بازار داخلی چین غالب بود، به سرعت به استاندارد جهانی برای خودروهای برقی سطح پایه و با برد استاندارد تبدیل شده است. با جایگزینی نیکل و کبالت گران‌قیمت و با محدودیت عرضه، با آهن و فسفات فراوان، تولیدکنندگان می‌توانند هزینه اولیه خودرو را به شدت کاهش دهند و این صرفه‌جویی را مستقیماً به مصرف‌کننده منتقل کنند.[1][2]

مصالحه برای این برچسب قیمت پایین‌تر، چگالی انرژی است. سلول‌های LFP برای همان مقدار انرژی نسبت به NMC از نظر فیزیکی سنگین‌تر و حجیم‌تر هستند. خودرویی که مجهز به باتری LFP است، معمولاً حداکثر برد رانندگی کوتاه‌تری را ارائه می‌دهد – اغلب حدود ۴۰۰ کیلومتر – صرفاً به این دلیل که شاسی نمی‌تواند سلول‌های فیزیکی کافی را برای افزایش برد در خود جای دهد.[5]

اما LFP یک مزیت رفتاری بزرگ برای راننده روزمره ارائه می‌دهد: در وضعیت شارژ ۱۰۰٪ عملکرد بسیار خوبی دارد. در واقع، خودروسازان فعالانه توصیه می‌کنند که خودروی مجهز به LFP را حداقل هفته‌ای یک بار به برق وصل کرده و تا انتها شارژ کنید تا سیستم مدیریت باتری کالیبره بماند. برای راننده‌ای با باتری LFP ۴۰۰ کیلومتری که روزانه تا ۱۰۰٪ شارژ می‌کند، برد روزانه قابل استفاده اغلب با یک باتری NMC ۴۸۰ کیلومتری که به طور مصنوعی روی ۸۰٪ قفل شده است، یکسان است.[3][6]

طول عمر یک واگرایی حیاتی دیگر است. آزمایش‌های آزمایشگاهی مدل‌های مدار معادل نشان می‌دهد که باتری‌های LFP می‌توانند به راحتی ۳,۰۰۰ تا ۵,۰۰۰ چرخه شارژ کامل را قبل از وقوع تخریب قابل توجه تحمل کنند. سلول‌های NMC و NCA معمولاً بین ۱,۰۰۰ تا ۲,۰۰۰ چرخه شروع به نشان دادن تخریب مشابه می‌کنند، که LFP را قهرمان بلامنازع طول عمر شیمیایی می‌سازد.[3]

با این حال، این مزیت چرخه عمر نیاز به زمینه دارد. اگر یک باتری LFP ۴۰۰ کیلومتر برد فراهم کند و ۳,۰۰۰ چرخه دوام بیاورد، باتری از لحاظ نظری قادر به رانندگی ۱,۲۰۰,۰۰۰ کیلومتر است. یک باتری NMC که ۴۸۰ کیلومتر برد در ۱,۵۰۰ چرخه ارائه می‌دهد، ۷۲۰,۰۰۰ کیلومتر را به دست می‌دهد. هر دو رقم بسیار بیشتر از طول عمر ساختاری سیستم تعلیق، الکترونیک و شاسی خودرو است. برای مالک اول، دوم یا حتی سوم، تفاوت در طول عمر شیمیایی عملاً برای زندگی روزمره آنها بی‌اهمیت است.[1][3][6]

جایی که شیمی‌ها برای مالک معمولی به طور قابل توجهی واگرا می‌شوند، در دماهای شدید است. شبیه‌سازی‌های عددی الکتروحرارتی نشان می‌دهند که شیمی‌های NMC و NCA مقاومت داخلی و قابلیت‌های تخلیه خود را در محیط‌های زیر صفر بسیار بهتر حفظ می‌کنند و آنها را در زمستان‌های سخت بسیار قابل اعتماد می‌سازند.[4]

در مقابل، باتری‌های LFP زمانی که دما به شدت کاهش می‌یابد، افت عملکرد بیشتری را تجربه می‌کنند. راننده‌ای در آب و هوای زمستانی سخت، کاهش محسوس‌تری در برد و سرعت شارژ سریع DC کندتر را با یک بسته LFP مشاهده خواهد کرد تا زمانی که سیستم مدیریت حرارتی داخلی خودرو بتواند سلول‌ها را به اندازه کافی گرم کند. برای خریداران در عرض‌های جغرافیایی شمالی، این جریمه زمستانی اغلب عامل تعیین‌کننده است.[4]

در نهایت، موضوع پایداری حرارتی مطرح است. از آنجایی که پیوندهای شیمیایی در آهن و فسفات قوی‌تر از پیوندهای نیکل و کبالت هستند، باتری‌های LFP ذاتاً کمتر مستعد فرار حرارتی هستند – رویداد گرم شدن بیش از حد آبشاری که باعث آتش‌سوزی باتری می‌شود. در حالی که همه خودروهای برقی مدرن به شدت محافظت و نظارت می‌شوند تا از چنین رویدادهایی جلوگیری شود، LFP یک لایه اضافی از ایمنی شیمیایی پایه را فراهم می‌کند.[5]

در نهایت، انتخاب بین LFP، NMC و NCA دیگر در مورد اینکه کدام یک به طور کلی «بهتر» است، نیست، بلکه در مورد این است که کدام یک برای یک پارکینگ خاص بهترین است.

رانندگانی که به حداکثر برد نیاز دارند، بارهای سنگین یدک می‌کشند یا در آب و هوای بسیار سرد زندگی می‌کنند، حق بیمه برای NMC یا NCA را موجه خواهند یافت. برای راننده معمولی حومه شهر که به دنبال کمترین هزینه ورودی و راحتی شارژ تا ۱۰۰٪ هر شب است، LFP قوانین مالکیت خودروی برقی را بازنویسی کرده است.[6]