باتری نیکل متال هیدرید (Nickel-Metal Hydride Battery – NiMH) نوعی باتری ثانویه (Secondary Battery) یا قابل شارژ مجدد است که نقش بسیار مهمی در توسعه و تجاری‌سازی نسل اول خودروهای هیبریدی (Hybrid Vehicles)، به‌خصوص مدل‌های موفق و پرفروش دهه‌های اخیر، ایفا کرده است. این فناوری که پس از باتری‌های نیکل کادمیوم (NiCd) به عنوان گزینه‌ای با چگالی انرژی بالاتر و سازگاری زیست‌محیطی بهتر ظهور کرد، به دلیل ویژگی‌های خاص خود برای کاربردهای هیبریدی در آن زمان بسیار مناسب بود.
نحوه کارکرد و ساختار
باتری‌های NiMH از یک الکترود مثبت حاوی نیکل اکسی‌هیدروکسید، یک الکترود منفی ساخته شده از آلیاژی که قابلیت جذب و آزادسازی هیدروژن را دارد (متال هیدرید)، و یک الکترولیت قلیایی استفاده می‌کنند. در هنگام شارژ و دشارژ، یون‌های هیدروژن بین دو الکترود از طریق الکترولیت حرکت می‌کنند. ولتاژ اسمی هر سلول NiMH حدود ۱.۲ ولت است.
نقش محوری NiMH در خودروهای هیبریدی
باتری‌های نیکل متال هیدرید به دلایل زیر به انتخاب اصلی برای باتری در نسل اول و بسیاری از مدل‌های کنونی خودروهای هیبریدی (به‌خصوص هیبریدی‌های غیر پلاگین) تبدیل شدند:
- تحمل چرخه‌های شارژ/دشارژ کم‌عمق: خودروهای هیبریدی غیر پلاگین نیازمند باتری‌هایی هستند که بتوانند به سرعت و دفعات بالا در محدوده‌ی کوچکی از ظرفیت باتری (شارژ و دشارژ کم‌عمق) عمل کنند (مثلاً برای کمک به شتاب‌گیری و بازیابی انرژی در ترمز احیاکننده). باتری‌های NiMH در این نوع کاربرد، عمر چرخه بسیار خوبی از خود نشان می‌دهند.
- مقاومت و قابلیت اطمینان: فناوری NiMH در زمان معرفی خودروهای هیبریدی اولیه نسبتاً پخته و قابل اطمینان بود. پک‌های باتری NiMH در برابر لرزش و شوک‌های خودرویی مقاومت خوبی دارند.
- محدوده دمای کاری: باتری‌های NiMH معمولاً در محدوده دمایی وسیع‌تری نسبت به نسل‌های اولیه باتری‌های لیتیوم یون می‌توانستند بدون نیاز به سیستم‌های مدیریت حرارتی پیچیده عمل کنند.
- هزینه: در آن زمان، تولید باتری‌های NiMH نسبت به باتری‌های لیتیوم یون اولیه ارزان‌تر بود.
- ایمنی: این باتری‌ها ذاتاً از نظر حرارتی پایدارتر از برخی شیمی‌های لیتیوم یون اولیه بودند.
نمونه‌های بارز خودروهایی که به طور گسترده از باتری‌های NiMH استفاده کرده و می‌کنند شامل مدل‌های مختلف تویوتا پریوس (تا نسل‌های اخیر)، هوندا اینسایت، فورد اسکیپ هیبریدی و بسیاری دیگر از خودروهای هیبریدی استاندارد هستند.
محدودیت‌ها و جایگزینی با لیتیوم یون
با وجود موفقیت در خودروهای هیبریدی استاندارد، باتری‌های NiMH برای کاربردهای پرانرژی‌تر مانند خودروهای برقی باتری‌دار (BEVs) و هیبریدی‌های پلاگین (PHEVs) محدودیت‌های قابل توجهی دارند و به همین دلیل در این خودروها عمدتاً با باتری‌های لیتیوم یون جایگزین شده‌اند:
- چگالی انرژی پایین‌تر: باتری‌های NiMH نسبت به باتری‌های لیتیوم یون چگالی انرژی کمتری دارند. این بدان معناست که برای ذخیره مقدار مشخصی انرژی، پک باتری NiMH سنگین‌تر و حجیم‌تر از پک لیتیوم یون خواهد بود. این محدودیت آن‌ها را برای تأمین برد خودروی برقی بالا در BEVs نامناسب می‌سازد.
- چگالی توان پایین‌تر در دشارژ عمیق: اگرچه در دشارژ کم‌عمق خوب عمل می‌کنند، اما توانایی تأمین جریان‌های بسیار بالا در مدت زمان طولانی (که برای شتاب‌گیری‌های قوی در BEVs لازم است) را مانند لیتیوم یون ندارند.
- نرخ خوددشارژی بالاتر: باتری‌های NiMH شارژ خود را در طول زمان عدم استفاده سریع‌تر از دست می‌دهند.
- اثر حافظه (Memory Effect) اندک: اگرچه نسبت به NiCd بسیار کمتر است، اما در صورت عدم دشارژ کامل گاه‌به‌گاه، ممکن است دچار کاهش ظرفیت شوند (این موضوع در کاربردهای خودرویی که اغلب شارژ کم‌عمق دارند کمتر مشکل‌ساز است).
باتری NiMH در بازار خودروی ایران
بخش قابل توجهی از خودروهای هیبریدی وارداتی به ایران، به‌خصوص مدل‌های قدیمی‌تر تویوتا پریوس و سایر برندها، مجهز به باتری‌های نیکل متال هیدرید هستند. این موضوع باعث می‌شود شناخت این فناوری برای مالکان این خودروها، تکنسین‌های تعمیرگاه‌ها و فعالان بازار خودروی ایران اهمیت پیدا کند. مسائل مربوط به نگهداری، علائم کاهش عمر باتری NiMH (مانند کاهش توان الکتریکی سیستم هیبریدی یا افزایش مصرف سوخت) و نیاز احتمالی به تعمیر یا تعویض پک باتری در خودروهای با کارکرد بالا، همگی به ویژگی‌های این نوع باتری مربوط می‌شود. در مقابل، اکثر خودروهای برقی و هیبریدی‌های پلاگین جدیدی که وارد بازار ایران می‌شوند، از باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌کنند.
نتیجه‌گیری
باتری نیکل متال هیدرید (NiMH) یک فناوری باتری قابل شارژ مجدد است که نقش حیاتی در توسعه و محبوبیت اولیه خودروهای هیبریدی ایفا کرد و هنوز هم در برخی مدل‌های هیبریدی استاندارد مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقاومت، قابلیت اطمینان و عمر چرخه خوب در کاربردهای شارژ/دشارژ کم‌عمق، این باتری را برای سیستم‌های هیبریدی اولیه مناسب ساخت. با این حال، به دلیل چگالی انرژی و توان پایین‌تر نسبت به لیتیوم یون، برای کاربردهای پرانرژی‌تر مانند خودروهای برقی باتری‌دار و هیبریدی‌های پلاگین کنار گذاشته شده است. با توجه به حضور تعداد قابل توجهی از خودروهای هیبریدی مجهز به باتری NiMH در بازار ایران، درک عملکرد و ملاحظات نگهداری این نوع باتری برای فعالان و مصرف‌کنندگان در کشور ضروری است.
