تسهیل نوآوری شیمی باتری برای پاسخگویی به تقاضا

18 آوریل 2023—shutterstock/Veleri

پیش‌بینی می‌شود صنعت باتری امروزی که در حال حاضر یک تجارت 45 میلیارد دلاری است، تا سال 2031 سه برابر شود و به 135 میلیارد دلار برسد. رشد آن در چند سال گذشته خیره‌کننده بوده است. در سال 2017، ظرفیت باتری برنامه ریزی شده بسیار کمی در اروپا وجود داشت، اما با توجه به نقش حیاتی باتری ها در مقابله با تغییرات آب و هوایی، اکنون حداقل 45 پروژه باتری مختلف در حال انجام است. اتحاد باتری اروپا (EBA)، به رهبری EIT InnoEnergy، در بسیاری از این پیشرفت ها نقش اساسی داشته است. EBA با گرد هم آوردن سهامداران از سراسر زنجیره ارزش تولید باتری، در تلاش است تا بر چالش باتری اروپا از هر زاویه – از توسعه نقشه راه و تامین مالی گرفته تا استخراج و مهارت‌ها – غلبه کند. در حال حاضر، چالش در مورد ظرفیت نیست، بلکه در مورد شیمی باتری است.

20 سال پیش، شیمیدانان باتری، مزایا و معایب چندین شیمی اصلی باتری را حذف کردند و در نهایت تصمیم گرفتند لیتیوم را دنبال کنند که منجر به عملکرد برتر چگالی انرژی آن شده است. این تصمیمی است که تا همین اواخر به خوبی به جهان خدمت کرده است. در ابتدا برای وسایل الکترونیکی کوچک مانند دوربین‌ها توسعه داده شد، اما هیچ‌کس نمی‌توانست چنین افزایش تقاضایی را در نتیجه وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) پیش‌بینی کند.

این افزایش تقاضا در تامین پایدار مقادیر کافی لیتیوم، کبالت و نیکل چالشی ایجاد می کند. در واقع، آژانس بین‌المللی انرژی پیشنهاد می‌کند که جهان ممکن است در اوایل سال 2025 با کمبود بالقوه لیتیوم مواجه شود. از آنجایی که خودروهای الکتریکی فعلی منحصراً برای شیمی لیتیوم طراحی شده‌اند، سرمایه‌گذاری‌ها و منابع قابل توجهی در حال انجام است تا استفاده از هر واحد لیتیوم بهبود ظرفیت، سرعت شارژ و دشارژ، و نرخ تخریب  را به حداکثر برسانند. با این حال، در طی چندین سال آینده، بسیار مهم است که شیمی باتری های جایگزین مانند یون سدیم و همچنین بهبود خانواده لیتیوم یون (Li-ion) باتری ها دنبال شود.

تجاری سازی سدیم

اگرچه شیمی باتری فعلی برای فن آوری های سدیم همچنان از نظر چگالی انرژی به دنبال لیتیوم است، سدیم یک ماده فراوان است که آن را برای ذخیره سازی ثابت ایده آل می کند. باتری‌های یون سدیم این پتانسیل را دارند که یک باتری جایگزین جذاب برای خودروهای برقی سطح ابتدایی باشند که از نظر زمان شارژ برابر هستند، اما در ازای قیمت پایین‌تر، برد کمی کوتاه‌تر دارند.

یک محلول باتری AB که سلول‌های لیتیوم و سدیم را در یک بسته باتری ترکیب می‌کند نیز می‌تواند گزینه جذابی برای برداشت بهترین از این دو فناوری باشد. غول صنعت CATL که توسط پتانسیل گسترده شیمی سدیم فریفته شده است، تولید در مقیاس کوچک را آغاز کرده است و حجم انبوه آن در سال 2023 پیش بینی می شود. و بسیاری از نوآوران کوچکتر نیز از این روند پیروی می کنند.

آلتریس مستقر در اوپسالا که زنجیره تامین را برای افزایش تقاضا آماده می‌کند، یک ماده کاتدی با چگالی انرژی بالا که Fennac نامیده می‌شود، ساخته است که از سدیم، آهن، کربن و نیتروژن تولید می‌کند. این فناوری به گونه ای توسعه یافته است که بتواند به هر خط تولید استاندارد صنعتی لیتیوم یون متصل شود. به قدری نوآورانه است که چشم توسعه‌دهنده باتری پیشرو در جهان Northvolt را که در دور سرمایه‌گذاری سری A Altris شرکت کرده بود، جلب کرده است. 9.6 میلیون یورو جمع آوری شده برای افتتاح یک مرکز تولید در مقیاس گیگاوات ساعت تا اواخر سال 2023 استفاده می شود.

سیلیکون به عنوان ماده آند نیز در حال افزایش است. محلول‌های سیلیکون از این نظر منحصر به فرد هستند که می‌توانند مقادیر زیادی از یون‌های لیتیوم را با سرعت‌های بالا ذخیره کنند و سرعت شارژ کمتر از 15 دقیقه با برد بیش از 500 مایل را ممکن می‌سازند. با این حال، صنعت با چالش‌های متعددی در جذب مواد شیمیایی از ترکیب کمتر از 10 درصد سیلیکون-گرافیت که امروز داریم، به شیمی‌های 100 درصد سیلیکونی بالقوه که می‌توانیم در آینده از آن بهره مند شویم، مواجه است. این چالش‌ها شامل ایجاد یک شیمی باتری پایدار است که به تمایل طبیعی سیلیکون برای انبساط و انقباض در هنگام شارژ و دشارژ شدن اجازه می‌دهد و آن را با قیمتی رقابتی مقیاس‌پذیر می‌کند. این صنعت چندین استراتژی را دنبال می کند، برخی از آنها مسیری را دنبال می کنند که به تدریج محتوای سیلیکون را افزایش می دهد، در حالی که برخی دیگر در تلاش هستند تا آندهای سیلیکونی کامل را در اوایل سال 2027 معرفی کنند.

کار به سمت شیمی باتری کاملاً سیلیکونی چالشی است که GDI مبتکر باتری مستقر در نیویورک، بهترین بخش دهه گذشته را برای ارائه آن صرف کرده است GDI با الهام از پانل های فتوولتائیک، از رسوب بخار شیمیایی تقویت شده با پلاسما برای ایجاد یک طراحی منحصر به فرد 100٪ آند سیلیکونی استفاده می کند. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، ثابت شده است که این شیمی باتری 30 درصد افزایش چگالی انرژی را در باتری‌های لیتیوم یون پیشرفته تا 30 درصد و همچنین شارژ سریع ایمن و قابل اعتماد از 10 تا 75 درصد در 15 دقیقه بیش از 500 بار با 80 بار باقی‌مانده ارائه می‌کند.

با شناخت بازار رو به رشد اروپا، GDI یکی از چندین استارت آپ آمریکایی است که EIT InnoEnergy به ایجاد جای پایی در اروپا کمک می کند تا نوآوری جهانی را به نفع مصرف کنندگان اروپایی برساند. پس از تکمیل دور عمده سرمایه گذاری سری A که در آن GDI 13.3 میلیون دلار جذب کرد، اکنون اولین خط تولید خود را در آیندهوون هلند با حمایت شرکت های صنعتی اروپایی AGC و Schlenk ایجاد خواهد کرد. پس از موفقیت خط تولید آزمایشی، این اتحاد قصد دارد به 100 مگاوات ساعت ظرفیت تولید آند در سال 2024، 1 گیگاوات ساعت در سال 2026 و 10 گیگاوات ساعت در سال 2028 دست یابد.

20 سال پیش، صنعت گامی نادرست برای دنبال کردن برخی مواد شیمیایی باتری بدون در نظر گرفتن آنچه در آینده ممکن است داشته باشد، انجام داد. ما الان بهتر می دانیم. در دسامبر 2022، پارلمان اروپا قانون جدید اقتصاد دایره ای را اعلام کرد که الزامات کل چرخه عمر باتری را مشخص می کند. به عنوان مثال، برای استفاده از حداقل 6 درصد لیتیوم بازیافتی به باتری های جدید نیاز دارد و اهداف پیشرونده ای را برای جمع آوری باتری های مصرف شده تعیین می کند.

قانون جدید این پیام را به ما منتقل می کند که باید به ضایعات خود رسیدگی کنیم. این شامل کاهش ضایعات تولید، درک سلامت باقی مانده باتری برای استفاده مجدد بالقوه و جداسازی آسان برای بازیافت است. شیوه‌های فعلی تولید باتری حتی در تجهیزاتی که به خوبی تنظیم شده‌اند، هنوز تا 10 درصد تولید می‌کنند. مبتکرانی مانند Verkor با استفاده از داده‌ها و دیجیتالی‌سازی صنعتی با ضایعات مقابله می‌کنند تا مدل Gigafactory مدرن‌تر و کارآمدتری را برای پاسخگویی به تقاضای آینده ارائه دهند.

به طور مشابه، اگرچه به نظر می‌رسد زنجیره‌های تامین فرعی شروع به مدیریت «توده سیاه» ناشی از باتری‌های بازیافتی می‌کنند، حجم بازیافت به دلیل چالش‌برانگیز بودن لجستیک، برچسب‌گذاری ضعیف و تنوع بسیار زیاد در مواد شیمیایی کم است. ما به شرکت‌های بیشتری نیاز داریم تا راه پیشروان صنعت مانند Northvolt را دنبال کنند که اولین کارخانه بازیافت خود را در سوئد می‌سازد. هنگامی که با ظرفیت کامل کار می کند، سالانه 120000 تن تولید می کند و می تواند حداقل 50 درصد مواد اولیه مورد نیاز کارخانه مجاور خود را تامین کند.

چندین سال آینده برای توسعه یک عرضه پایدار و بومی باتری برای اروپا حیاتی است. ما باید به سرعت ترکیبات شیمیایی باتری و شایستگی های جدید را توسعه دهیم تا نه تنها با تغییرات آب و هوایی مقابله کنیم، بلکه در عین حال رقابتی باقی بمانیم. ما خوش شانس هستیم که پروژه های نوآورانه باتری در اروپا را به رخ می کشیم، اما همچنان حیاتی است که صنعت به سرمایه کافی و فرصت های همکاری برای پاسخگویی به تقاضاهای رو به رشد دسترسی داشته باشد.