سازوکار باتری‌های حالت جامد خودروهای برقی: چرا حذف الکترولیت مایع به فرار حرارتی پایان می‌دهد؟

در جریان مصاحبه‌ای که اخیراً از والنسیا در اسپانیا پخش شد، استلا لی (Stella Li)، معاون اجرایی BYD و سون هوآجون (Sun Huajun)، مدیر ارشد فناوری باتری FinDreams، جدول زمانی‌ای را ترسیم کردند که صنعت خودروهای برقی یک دهه است به دنبال آن می‌دود. آن‌ها در گفتگو با رسانه‌های خودرویی تأیید کردند که BYD قصد دارد تا سال ۲۰۲۷، اولین فناوری باتری حالت جامد خود را در یک آزمایش محدود روی حدود ۱۰۰۰ خودرو، احتمالاً تحت برندهای رده‌بالای Yangwang یا Denza، پیاده‌سازی کند. هدف این شرکت برای تولید تجاری در مقیاس انبوه، سال ۲۰۳۰ است.[1]

این بیانیه یک هدف نمایشی کوتاه‌مدت را تعیین می‌کند، اما به معنای عرضه فوری و خرد برای بازار انبوه نیست. لی در این مصاحبه گفت: «من به شما تضمین می‌دهم که هر فناوری باتری را در گوشه‌ای از بخش تحقیق و توسعه BYD پیدا خواهید کرد؛ ما در حال مطالعه روی آن هستیم. بنابراین، وقتی صحبت از باتری حالت جامد می‌شود، BYD در جایگاه پیشرو قرار دارد؛ ما هم در خط تجاری و هم در فناوری پیشگام هستیم.»[1]

این اعلامیه از سوی بزرگ‌ترین تولیدکننده خودروهای برقی جهان نشان می‌دهد که باتری‌های حالت جامد بالاخره از پدیده‌های جذاب آزمایشگاهی به نمونه‌های اولیه جاده‌ای تبدیل می‌شوند، هرچند واقعیتِ آنچه قرار است عرضه شود، بسیار محدودتر از چیزی است که ادبیات بازاریابی القا می‌کند. سال‌هاست که این صنعت به باتری‌های لیتیوم-یونی مایع متکی است؛ باتری‌هایی که نیروی همه‌چیز از گوشی‌های هوشمند گرفته تا تسلا مدل Y را تأمین می‌کنند. اما الکترولیت‌های مایع محدودیت‌های فیزیکی بنیادینی دارند که مهندسان برای دور زدن آن‌ها با چالش‌های زیادی روبه‌رو بوده‌اند.[2][3]

در یک سلول لیتیوم-یونی معمولی، یک الکترولیت مایع یا ژل بین آند گرافیتی و کاتد اکسید فلزی قرار می‌گیرد. این مایع به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهد تا در طول شارژ و دشارژ به عقب و جلو حرکت کنند. با این حال، حلال‌های آلی استفاده‌شده در این مایعات بسیار فرار و اشتعال‌پذیر هستند.[2]

وقتی یک باتری با الکترولیت مایع در تصادف سوراخ می‌شود یا به دلیل اتصال کوتاه بیش از حد داغ می‌شود، این مایع می‌تواند مشتعل شود. این اتفاق یک واکنش زنجیره‌ای به نام «فرار حرارتی» را آغاز می‌کند؛ جایی که گرمای یک سلولِ ازکارافتاده، سلول‌های مجاور را شعله‌ور کرده و به آتش‌سوزی‌هایی منجر می‌شود که خاموش کردنشان به‌شدت دشوار است.[2][3]

باتری‌های حالت جامد آن مایع اشتعال‌پذیر را با یک ماده جامد - معمولاً یک ترکیب سرامیکی، شیشه‌ای یا سولفیدی - جایگزین می‌کنند. این لایه جامد هم به‌عنوان الکترولیت برای هدایت یون‌ها عمل می‌کند و هم به‌عنوان جداکننده، مانع از تماس آند و کاتد می‌شود.[2]

از آنجا که الکترولیت جامد اشتعال‌پذیر نیست، خطر فرار حرارتی عملاً از بین می‌رود. این ایمنی ذاتی به مهندسان اجازه می‌دهد تا در کل معماری باتری بازنگری کنند. بدون نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده سنگین و زره‌های محافظ، پک باتری به‌طور قابل‌توجهی سبک‌تر و کوچک‌تر می‌شود.[2][3]

مهم‌تر از آن، یک الکترولیت جامد امکان استفاده از آند فلز لیتیوم خالص را به‌جای گرافیت فراهم می‌کند. گرافیت حجیم است؛ و صرفاً به‌عنوان یک ساختار میزبان برای ذخیره یون‌های لیتیوم عمل می‌کند. یک آند لیتیوم خالص چگالی انرژی سلول را به‌شدت افزایش می‌دهد و به‌طور بالقوه آن را به بیش از ۵۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم می‌رساند؛ در مقایسه با محدودیت ۲۵۰ وات‌ساعت بر کیلوگرمی سلول‌های مایع فعلی.[2]

اما باتری‌های حالت جامد با موانع مهندسی خاص خود روبه‌رو هستند که مهم‌ترین آن‌ها دندریت‌ها هستند. دندریت‌ها ساختارهای میکروسکوپی، سخت و درخت‌مانندی از فلز لیتیوم هستند که در طول شارژ از آند رشد می‌کنند.[2]

مدت‌ها تصور می‌شد که یک سد جامد سرامیکی یا سولفیدی به‌طور فیزیکی مانع از رشد دندریت‌ها می‌شود. با این حال، تحقیقات اخیر با استفاده از توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس و تصویربرداری تشدید مغناطیسی نشان داد که دندریت‌ها همچنان می‌توانند شکل بگیرند و از طریق ترک‌های میکروسکوپی و مرز دانه‌ها در الکترولیت جامد نفوذ کنند.[2][3]

به‌محض اینکه این سوزن‌های لیتیومی از جداکننده جامد عبور کرده و به کاتد برسند، باعث اتصال کوتاه می‌شوند که به تخریب سریع و ازکارافتادگی باتری می‌انجامد. حل مشکل دندریت‌ها دلیل اصلی ماندگار شدن طولانی‌مدت باتری‌های حالت جامد در آزمایشگاه‌ها بوده است.[2]

تولیدکنندگان در حال حاضر بر سر اینکه از کدام ماده جامد استفاده کنند، اختلاف نظر دارند. سرامیک‌های مبتنی بر اکسید پایداری حرارتی عالی دارند اما شکننده هستند و برای تولید به دماهای بسیار بالایی نیاز دارند. الکترولیت‌های مبتنی بر سولفید که BYD به دنبال آن‌هاست، رسانایی یونی بسیار بالاتری ارائه می‌دهند (نزدیک به ۱۰ به توان منفی ۲ زیمنس بر سانتی‌متر که با الکترولیت‌های مایع رقابت می‌کند) و نرم‌تر هستند، که تولید آن‌ها را در مقیاس انبوه آسان‌تر می‌کند.[1][2]

نقطه ضعف اینجاست که الکترولیت‌های سولفیدی به‌شدت به هوا و رطوبت حساس هستند. اگر در طول تولید در معرض رطوبت قرار گیرند، می‌توانند واکنش داده و گاز سمی سولفید هیدروژن تولید کنند. این امر ایجاب می‌کند که باتری‌ها در محیط‌های فوق‌خشک و به‌شدت کنترل‌شده مونتاژ شوند، که هزینه‌های اولیه تولید را به‌شدت بالا می‌برد.[2][3]

برای مقابله با دندریت‌ها در سلول‌های سولفیدی، مهندسان به فشار مکانیکی روی آورده‌اند. محققان اخیراً نشان داده‌اند که اعمال فشار فیزیکی به سلول حالت جامد، دندریت‌ها را مجبور می‌کند تا به‌جای رشد عمودی، به‌صورت افقی پخش شوند و از سوراخ کردن الکترولیت جلوگیری کنند؛ این روش به سلول‌های اولیه اجازه می‌دهد تا نزدیک به ۹۳ درصد از انرژی خود را پس از ۵۰۰ چرخه شارژ حفظ کنند.[2]

این پیچیدگی، دلیل عرضه محتاطانه BYD را توضیح می‌دهد و هیاهوی یک انقلاب فوریِ حالت جامد را کمرنگ می‌کند. سون هوآجون اشاره کرد که پیش‌سازهای تخصصی سولفید در حال حاضر ده‌ها برابر بیشتر از مواد معمولی الکترولیت مایع هزینه دارند. کاربردهای اولیه به خودروهای لوکس محدود خواهد شد، جایی که برچسب قیمت بالا می‌تواند هزینه باتری را پوشش دهد.[1]

لیان یوبو (Lian Yubo)، دانشمند ارشد BYD، هشدار داده است که باتری‌های لیتیوم-یونی مایع و سیستم‌های تمام‌حالت‌جامد می‌توانند برای ۱۵ تا ۲۰ سال همزیستی داشته باشند؛ موضوعی که به‌جای جایگزینی فوری باتری‌های معمولی، به یک دوره گذار طولانی‌تر اشاره دارد.[1]

شرکت BYD در این رقابت تنها نیست. تویوتا عرضه خودروهای برقی حالت جامد خود را برای سال‌های ۲۰۲۷ تا ۲۰۲۸ هدف‌گذاری کرده است، در حالی که Samsung SDI تولید انبوه را برای سال ۲۰۲۷ در نظر دارد. سه سال آینده مشخص خواهد کرد که آیا این خطوط آزمایشی می‌توانند به‌طور کارآمد به مقیاس انبوه برسند یا خیر.[1]

گذار به باتری‌های حالت جامد یک انقلاب یک‌شبه نخواهد بود. سلول‌های لیتیوم-یونی مایع با تکیه بر پیشرفت‌های مداوم در شیمی و هزینه، در آینده قابل‌پیش‌بینی همچنان بر بازار انبوه تسلط خواهند داشت. اما آزمایش سال ۲۰۲۷ شرکت BYD، آغازِ پایانِ عصر مایعات را رقم می‌زند و نویدبخش آینده‌ای است که در آن خودروهای برقی سریع‌تر شارژ می‌شوند، مسافت بیشتری را طی می‌کنند و هرگز آتش نمی‌گیرند.[1][3]