فناوری باتری (Battery Technology) حوزه گسترده‌ای از علوم مهندسی و شیمی را در بر می‌گیرد که به طراحی، توسعه، تولید و بهبود سلول‌های الکتروشیمیایی و بسته‌های باتری برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی می‌پردازد. این فناوری شامل مطالعه مواد مختلف (مانند مواد خام باتری)، شیمی‌های متفاوت (باتری‌های لیتیوم یون، باتری‌های حالت جامد و…)، روش‌های تولید، و توسعه سیستم‌های مدیریت و کنترل باتری است. فناوری باتری ستون فقرات و موتور محرک اصلی تحول در صنعت خودرو به سمت حمل‌ونقل الکتریکی و توسعه خودروهای برقی (EVs) و هیبریدی است.
اهمیت حیاتی فناوری باتری برای خودروهای برقی و هیبریدی
فناوری باتری از چند جهت برای خودروهای برقی و هیبریدی نقشی غیرقابل جایگزین دارد:
- قلب قوای محرکه: باتری خودروی برقی اصلی‌ترین (و در BEVs، تنها) منبع انرژی برای به حرکت درآوردن خودرو است. عملکرد، هزینه، وزن و ابعاد آن مستقیماً بر تمام جنبه‌های خودرو تأثیر می‌گذارد.
- توانمندساز (Enabler): پیشرفت‌ها در فناوری باتری، به‌خصوص در زمینه باتری‌های لیتیوم یون با چگالی انرژی بالا و چگالی توان مناسب، امکان تولید انبوه خودروهای برقی تمام باتری‌دار (BEVs) را با برد پیمایش (Range) قابل قبول و عملکرد دینامیکی رقابتی فراهم کرده است.
- موتور تکامل خودروهای برقی: بهبود مستمر در فناوری باتری عامل اصلی افزایش برد پیمایش، کاهش زمان شارژ خودروی برقی، کاهش هزینه تولید باتری (بر حسب کیلووات ساعت)، افزایش عمر باتری و بهبود ایمنی باتری در نسل‌های جدید خودروهای برقی است.
- پیچیدگی و هزینه: پک باتری یک سیستم پیچیده است (شامل هزاران سلول باتری، سامانه مدیریت باتری – BMS، سیستم مدیریت حرارتی باتری – BTMS، و اتصالات الکتریکی و مکانیکی) و معمولاً پرهزینه‌ترین جزء یک خودروی برقی محسوب می‌شود.
حوزه‌های کلیدی در فناوری باتری
- شیمی باتری (Battery Chemistry): مطالعه و توسعه مواد مختلف برای آند، کاتد و الکترولیت سلول‌های باتری. انواع رایج در خودروها شامل شیمی‌های مختلف باتری لیتیوم یون (مانند NMC، LFP، NCA) و شیمی‌های نسل آینده مانند باتری حالت جامد است. هر شیمی مزایا و معایب خود را دارد (چگالی انرژی، چگالی توان، هزینه، ایمنی، عمر باتری).
- طراحی سلول و پک (Cell and Pack Design): نحوه طراحی فیزیکی سلول‌های باتری (استوانه‌ای، کیسه‌ای، منشوری) و نحوه مونتاژ آن‌ها در ماژول‌ها و سپس در یک پک باتری با ساختار مستحکم، سیستم‌های الکتریکی، BMS و BTMS.
- سامانه‌های مدیریت باتری (BMS) و مدیریت حرارتی (BTMS): توسعه نرم‌افزار و سخت‌افزار هوشمند برای پایش دقیق، مدیریت و حفاظت از باتری در برابر شرایط نامناسب و افزایش عمر باتری.
- فناوری شارژ (Charging Technology): توسعه روش‌ها و استانداردهای شارژ (مانند شارژ AC، شارژ DC، شارژ سریع DC) و نحوه تعامل باتری با این سیستم‌ها (پروتکل‌ها، سرعت پذیرش شارژ).
- مواد خام و بازیافت (Raw Materials and Recycling): روش‌های استخراج پایدار مواد خام باتری (مانند لیتیوم، کبالت، نیکل) و توسعه فرآیندهای مؤثر برای بازیافت باتری‌های پایان عمر (بازیافت باتری) جهت بازیابی مواد ارزشمند و کاهش اثرات زیست‌محیطی.
- فناوری‌های نسل آینده: تحقیق و توسعه بر روی شیمی‌ها و ساختارهای جدید باتری (مانند باتری حالت جامد، باتری لیتیوم-گوگرد، باتری فلز-هوا و…) با پتانسیل چگالی انرژی بالاتر، هزینه کمتر و ایمنی بیشتر.
تکامل فناوری باتری در خودروها
صنعت خودرو شاهد تکامل سریع فناوری باتری بوده است. از باتری‌های سرب-اسید در خودروهای اولیه، به باتری‌های نیکل متال هیدرید (NiMH) که در نسل اول خودروهای هیبریدی محبوبیت داشتند (مانند تویوتا پریوس)، به سلطه کنونی باتری‌های لیتیوم یون در تمام انواع خودروهای برقی و هیبریدی پلاگین، و در حال حاضر حرکت به سمت تجاری‌سازی باتری‌های حالت جامد هستیم.
فناوری باتری در بازار خودروی ایران
عملکرد، قابلیت‌ها و هزینه خودروهای برقی و هیبریدی وارداتی به ایران به طور مستقیم تحت تأثیر وضعیت کنونی فناوری باتری در سطح جهانی قرار دارد. خودروهای برقی با برد پیمایش بالاتر، شارژ سریع‌تر و عمر باتری طولانی‌تر که وارد بازار ایران می‌شوند، نتیجه پیشرفت‌های اخیر در فناوری باتری توسط سازندگان بزرگ جهانی هستند.
برای ایران، توسعه حمل‌ونقل الکتریکی با چالش‌ها و فرصت‌های مرتبط با فناوری باتری همراه است:
- نیاز به تخصص و زیرساخت: با افزایش تعداد خودروهای برقی در ایران، نیاز مبرمی به توسعه تخصص و زیرساخت‌های بومی برای تشخیص عیب، تعمیر و نگهداری باتری خودروی برقی و سیستم‌های مرتبط با آن (BMS، BTMS) وجود دارد.
- بازیافت باتری در ایران: در بلندمدت، با رسیدن باتری‌ها به پایان عمر خود در ایران، توسعه زیرساخت و فرآیندهای بازیافت باتری خودروی برقی در ایران برای مدیریت ایمن پسماند و بازیابی مواد خام باتری حیاتی خواهد بود.
- پتانسیل تولید بومی: برنامه‌ها برای تولید خودروهای برقی در ایران به طور ناگزیر شامل بررسی چالش و فرصت تولید باتری در ایران است. دسترسی به فناوری باتری رقابتی (چه از طریق انتقال فناوری، چه سرمایه‌گذاری مشترک، چه توسعه داخلی) برای موفقیت در تولید خودروی برقی با برد پیمایش و هزینه رقابتی در بازار ایران ضروری است.
- شرایط آب و هوایی: فناوری باتری (به‌خصوص BTMS) باید قادر به عملکرد مؤثر در شرایط آب و هوایی متنوع و گاهی شدید ایران (گرمای بالا، سرمای پایین) باشد.
نتیجه‌گیری
فناوری باتری حوزه علمی و مهندسی کلیدی است که قلب خودروهای برقی و هیبریدی را تشکیل می‌دهد. پیشرفت‌های مستمر در این زمینه، به‌ویژه در زمینه باتری‌های لیتیوم یون و فناوری‌های نسل آینده مانند باتری حالت جامد، عامل اصلی بهبود برد پیمایش، سرعت شارژ، هزینه، ایمنی و عمر باتری است و موتور محرک انقلاب حمل‌ونقل الکتریکی محسوب می‌شود. فناوری باتری به طور مستقیم بر عملکرد و قابلیت‌های خودروهای برقی و هیبریدی موجود در بازار خودروی ایران تأثیر می‌گذارد و توسعه تخصص و زیرساخت‌های بومی برای خدمات، نگهداری و بازیافت باتری در ایران و همچنین برنامه‌ریزی برای تولید باتری در ایران، برای آینده حمل‌ونقل پایدار در کشور حیاتی است.
