چالش های عمده ای که باید با تحقیق و توسعه باتری با آن مقابله کرد

22 دسامبر 2023-© shutterstock/petrmalinak

EUROBAT اهمیت مداوم نوآوری باتری را مورد بحث قرار می دهد و زمینه های بالقوه ای را که باید توسط تحقیق و توسعه باتری مورد توجه قرار گیرد، ترسیم می کند.

Eurobat انجمن تولید کنندگان باتری های خودرو و صنعتی و پیمانکاران فرعی آنها در اروپا، خاورمیانه و آفریقا است. به نمایندگی از صنعت باتری اروپا، EUROBAT تمام مواد شیمیایی اصلی باتری موجود در بازار را پوشش می دهد: لیتیوم، سرب، نیکل و سدیم.

نوآوری باتری یک فرآیند مداوم است، در قرن نوزدهم اساساً با تلاش های مستمر برای توسعه یک منبع قوی برق با ماندگاری طولانی تر که بتواند انرژی و توان خروجی قابل اعتمادی را ارائه دهد، هدایت شد. این تلاش منجر به تولید محصولات باتری مبتنی بر سرب شد، فناوری که قرن ها سنگ بنای آن بوده و هنوز هم با موفقیت در برنامه های امروزی استفاده می شود.

در قرن بیستم، نوآوری باتری به دلیل کاربردهای نوظهور آن زمان، مانند وسایل الکترونیکی قابل حمل، مخابرات، وسایل نقلیه خودرویی، راه آهن، حمل و نقل هوایی، کشتی‌ها و زیردریایی‌ها، ماهواره‌ها و نیاز به منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) هدایت شد. هر برنامه به ویژگی های باتری خاص تری نیاز داشت که در نتیجه تنوع قابل توجهی در محصولات باتری ایجاد شد. توسعه باتری‌های لیتیوم یونی در اواخر قرن بیستم، به لطف چگالی انرژی بالاتر و وزن نسبتا کم، فناوری‌های مبتنی بر سرب را که به طور گسترده استفاده می‌شوند، مقرون به صرفه و ایمن است، رشد کرد.

محرک های امروزی برای نوآوری باتری گسترده تر و پیچیده تر هستند. باتری‌ها نه تنها با ویژگی‌های خاص برای کاربردهای خاص بهینه‌سازی شده‌اند، بلکه برای برآورده کردن اهداف اروپا در مورد محیط‌زیست، استقلال انرژی، امنیت تامین مواد خام و برق‌رسانی بیشتر حمل‌ونقل و سایر بخش‌ها توسعه یافته‌اند. در این زمینه جدید، EUROBAT نقشه راه نوآوری باتری‌های کاغذ سفید 2030 را در ژوئن 2020 آغاز کرد. این نقشه در ژوئن 2022 به‌روزرسانی شد تا بازار و تحولات فناوری را برای هر چهار فن‌آوری اصلی و آینده‌دار در رابطه با برنامه‌های کاربردی مورد ارزیابی مجدد قرار دهد.نقشه راه، به‌روزترین و پتانسیل نوآوری هر یک از شیمی‌های اصلی مختلف را نشان می‌دهد:

تحقیق و توسعه باتری مبتنی بر سرب

توسعه باتری مبتنی بر سرب همچنان مهم است، به ویژه با اجرای مواد جدید نوآورانه (مانند منبسط کننده های مصنوعی، مواد کربنی مبتنی بر نانو، ترکیبات آلیاژی جدید) و طراحی بهبود یافته باتری.

پتانسیل آن‌ها در نوآوری‌های کاربردی خاص، مانند بهبود پذیرش شارژ دینامیک برای خودروها در دوام دمای بالا، نهفته است. به طور مشابه، برای کاربردهای صنعتی خاص در زمینه حمل و نقل ثابت و خارج از جاده، آنها می توانند در بهبود چگالی انرژی و توان با بهبود عمر چرخه مهم باشند.

باتری‌های سرب خالص صفحه نازک (TPPL)، باتری‌های اسید سرب تقویت‌شده دوقطبی و کربنی کاندیدهای امیدوارکننده‌ای برای افزایش عمر مفید، عملکرد PSOC و بهبود چگالی توان هستند. ویژگی برجسته در این فرآیند این است که این پیشرفت ها برای برنامه های کاربردی خاص طراحی شده اند.

علاوه بر تحقیقات بنیادی که الکترولیت‌ها، مواد و اجزای مورد استفاده را افزایش می‌دهد، معرفی حالت‌های عملکرد باتری هوشمند نیز پتانسیل بالایی دارد و این شیمی باتری را در نقشی پیشرو برای کاربردهای خاص خودرو و صنعتی تا سال 2030 قرار می‌دهد.

تحقیق و توسعه باتری مبتنی بر لیتیوم

در حال حاضر، امیدوارکننده ترین فناوری، نیاز اصلی برای تراکم انرژی بالاتر برای دستیابی به افزایش برد رانندگی، مستقیماً با تحرک الکترونیکی است. این منجر به یک نقشه راه توسعه برای سال 2030 می شود که عمدتاً فناوری های مبتنی بر لیتیوم مبتنی بر مواد اصلاح شده نیکل کبالت اکسید منگنز (NMC) با افزایش نیکل و کاهش محتوای کبالت در ترکیب با مواد آند خازنی بالا با کامپوزیت های کربن/سیلیکون را در نظر می گیرد. فناوری حالت جامد نیز برای افزایش چگالی انرژی و بهبود جنبه ایمنی هدف قرار گرفته است.

با توجه به تنوع ترکیبات احتمالی مواد کاتد و آند، باتری‌های لیتیوم یونی که به دست می‌آیند ویژگی‌های عملکردی خاص برای انواع مختلف کاربردها را نشان می‌دهند.

توسعه فن‌آوری‌های Li-ion مناسب برای کاربردهای صنعتی و خودروسازی هنوز از نظر تحقیقات مواد جایگزین، فعال‌سازی فرآیندهای استخراج، استخراج اخلاقی، بازیافت و ایمنی یک چالش است.علاوه بر فناوری لیتیوم یون مبتنی بر NMC، LFP (فسفات آهن لیتیوم) انتخاب مطلوبی برای کاربردهای ثابت در دست اقدام است، به ویژه به دلیل طول عمر چرخه طولانی.

تحقیق و توسعه به سمت فسفات آهن لیتیوم منگنز (LMFP) “ذاتا ایمن” با چگالی انرژی بالاتر هدایت می شود. هر دو LFP و LMFP فاقد مواد خام حیاتی مانند نیکل و کبالت هستند.

تحقیق و توسعه باتری مبتنی بر نیکل

به لطف دهه‌ها استفاده ایمن در شدیدترین شرایط آب و هوایی، دوچرخه‌سواری و/یا شرایط عملیاتی شارژ سریع، باتری‌های مبتنی بر نیکل کادمیوم و نیکل متال هیدرید (NiMH) هنوز در کاربردهای خاص و با طراحی‌های مختلف استفاده می‌شوند.

این فناوری را می توان هم برای کاربردهای موجود و هم به عنوان یک راه حل جایگزین، به دلیل ویژگی های عملکرد کلیدی آن در شرایط سخت، توسعه داد. باتری های مبتنی بر نیکل از جمله سیستم های ذخیره سازی الکتروشیمیایی هستند که باید در نظر گرفته شوند تا در دهه آینده در بازار برای کاربردهای صنعتی هدفمند باقی بمانند.

تحقیق و توسعه باتری مبتنی بر سدیم

برخلاف سایر انواع باتری، باتری‌های مبتنی بر نیکل با دمای بالا (دمای عملکرد > 300 درجه سانتی‌گراد) از الکترودهای مایع و یک الکترولیت جامد تشکیل شده‌اند. نمایندگان تجاری موجود عبارتند از کلرید نیکل سدیم (NaNiCl) و باتری سدیم سولفور (NaS) که در کاربردهای ثابت انرژی پشتیبان و سطح بار استفاده می شود.

هر دو فناوری هنوز از نظر بازده انرژی (تلفات حرارتی ناشی از گرمایش لازم برای حفظ دمای سلول)، مقاومت داخلی که برای NaNiCl مثبت است جای بهبود دارند. عوامل دیگری که باید مورد تحقیق و بررسی قرار گیرند تقاضای زیاد برای نیکل و ساختار پیچیده مدولار است.

امروزه، تمرکز اصلی تحقیق و توسعه باتری‌های مبتنی بر سدیم، فناوری نویدبخش باتری یون سدیم در دمای اتاق (SIB) است. اصل کار با باتری های لیتیوم یون قابل مقایسه است، با مزایای عمده در مقایسه استفاده از مواد غیر بحرانی و پتانسیل هزینه کمتر.

نقشه راه نوآوری EUROBAT 2.0

نقشه راه نوآوری EUROBAT کنونی 2.0 همچنین پتانسیل نوآوری بیشتر فناوری‌های امیدوارکننده شامل: سرب دوقطبی، دمای اتاق یون سدیم، پس از لیتیوم-یون تمام حالت جامد Gen. 4b و Gen. 4c، و سولفور لیتیوم و لیتیوم- را در نظر می‌گیرد. Air Gen 5. با توجه به هر یک، باید در نظر گرفت که چرا ادامه پیشرفت آنها اهمیت دارد.

با در نظر گرفتن زمان‌بندی پیش‌بینی‌شده برای ارتقاء قابلیت‌های تولید اروپا و برای ورود نوآوری‌ها به بازارها، همراه با پیش‌بینی‌های امیدوارکننده اخیر بازار (سمت تقاضا)، می‌توان نتیجه گرفت که باتری‌های لیتیوم یون و مبتنی بر سرب فناوری‌های باتری در سال 2030 غالب باقی خواهند ماند.

گزارش Avicenne در سپتامبر 2023 که توسط EUROBAT سفارش داده شده است، بازار جهانی باتری 4150 گیگاوات ساعتی را پیش‌بینی می‌کند که از این میان 3360 گیگاوات ساعت مبتنی بر لیتیوم و 774 گیگاوات ساعت مبتنی بر فناوری‌های مبتنی بر سرب است.

تحقیق و توسعه باتری

ما پیش‌بینی می‌کنیم که نسخه سوم در طی رویداد سالانه EUROBAT در بروکسل در 4-5 ژوئن 2024 منتشر شود. در این سند می‌توانیم تأثیر ابتکارات مختلف سیاست اتحادیه اروپا و قوانین جدید موجود از زمان انتشار نقشه راه را ارزیابی کنیم.

EUROBAT از اتحاد باتری اروپا (EBA) کمیسیون اروپا حمایت می کند و هدفش این است که در خط مقدم پیشرفت های فناوری در بخش های مختلف باقی بماند. این شامل افزایش ظرفیت‌های تولید داخلی رقابتی و پایدار برای همه فناوری‌ها، از مواد خام گرفته تا تولید بسته‌های باتری است.

چالش های اصلی برای رسیدگی

در شرایط امروز، می‌توانیم تأیید کنیم که رهبری فناوری ما، که در به‌روزرسانی بعدی توضیح خواهیم داد، شامل حوزه‌های نوآوری جدیدی مانند فرآیندهای تولید و بازیافت، با تمرکز قوی بر توسعه اقتصاد دایره‌ای و ترکیب جنبه‌های پایداری با بودجه تحقیق و توسعه دولتی و/یا خصوصی خواهد بود..

سایر جنبه‌های عرضی و چالش‌های عمده‌ای که باید با تحقیق و توسعه مورد توجه قرار گیرند، مدیریت داده‌ها، نیازهای دیجیتالی‌سازی و استانداردسازی اجرای دستور باتری M/579 و بهبود استفاده از پاسپورت باتری در آینده به منظور هدایت بهتر جریان‌های زباله، به برآورده کردن نرخ جمع آوری بالاتر (همه عناصر) و به حداکثر رساندن استفاده از مواد اولیه و ثانویه بازیافتی در باتری های جدید (همه فناوری ها).

قانون صنعت Net-Zero که اخیراً معرفی شده است، به عنوان بخشی از طرح صنعتی معامله سبز، و اصلاح طرح بازار برق، تحقیق و توسعه را در زمینه یکپارچه سازی باتری در بسیاری از کاربردها و همچنین سرمایه گذاری برای افزایش تولید فناوری های پاک (از جمله) جذب خواهد کرد. تولید باتری). به طور خلاصه، آینده صنعت تولید باتری اروپا چالش هایی را ارائه می دهد که برای موفقیت باید بر آنها غلبه کنیم.