باتری های جامد؛ آینده صنعت خودرو یا هیاهو؟

 در سال ۱۹۹۲، شرکت سونی، انقلابی در لوازم الکترونیکی قابل‌حمل به راه انداخت. این شرکت ژاپنی با بهره‌گیری از چندین دهه تحقیقات آزمایشگاهی روی باتری‌های لیتیوم یونی توانست محصولاتی مانند تلفن همراه و دوربین‌های فیلم‌برداری دستی را معرفی کند که زندگی میلیاردها مصرف‌کننده را تغییر داده است.

براساس گزارشی از فایننشال‌تایمز، باتری‌ها هم‌اکنون به عنوان زیربنای بازنگری در سیستم جهانی انرژی و حمل‌ونقل برای کاهش اتکا به سوخت‌های فسیلی شناخته می‌شوند. درحالی‌که هزینه ساخت باتری‌های لیتیوم یونی به‌شدت کاهش یافته است و همین مساله سبب شده فروش خودروهای برقی در سال‌های اخیر افزایش پیدا کند، اما بنیان این فناوری از زمان تجاری‌سازی تغییر چندانی نکرده است. با‌این‌حال، پس از سه دهه بهینه‌سازی تدریجی، این اصل متعارف می‌تواند به‌زودی تغییر کند، به‌طوری‌که تویوتا، بزرگ‌ترین خودروساز جهان، اعلام کرده است به یک پیشرفت غیرمنتظره تولیدی برای یک فناوری تاثیرگذار نزدیک است:

شرکت هایپ از زمان انتشار یک سری اعلامیه در مورد فناوری نسل بعدی توسط خودروساز ژاپنی شروع به کار کرده است، تاجایی‌که ارزش بازار آن تاکنون ۲۶میلیارد دلار افزایش یافته است. در صورت موفقیت این شرکت، تویوتا می‌تواند فروش خودروهای برقی ایمن‌تر، با قابلیت شارژ شدن سریع‌تر و توانایی طی ۱۲۰۰ کیلومتر تنها با یک بار شارژ (حدود دو برابر میانگین فعلی این شرکت) را در اوایل سال ۲۰۲۷ آغاز کند. پیتر بروس، یکی از بنیان‌گذاران و دانشمند ارشد موسسه تحقیقاتی فارادی، معتقد است مسابقه‌ای در سراسر جهان برای موفقیت در عرصه باتری‌های حالت جامد در جریان است.

اگر تویوتا یا هر برند دیگری موفق به ساخت باتری‌های حالت جامد که مقرون‌به‌صرفه هستند و طول عمر کافی دارند، شوند، پیشرفتی در چگالی انرژی و شارژ ۱۰دقیقه‌ای رخ می‌دهد. اگر این فناوری با موفقیت ادامه دهد، تاثیر آن می‌تواند چشمگیر باشد و باعث تحول خودروی برقی شود؛ خودروهایی که در حال حاضر تحت سلطه تسلا، بی‌وای‌دی و شرکت کاتل چین، یکی از معروف‌ترین تولید‌کنندگان باتری خودرو در جهان، قرار دارند. این امر با توجه به نگرانی غرب در مورد تسلط فعلی چین بر باتری‌ها و مواد خام آنها، پیامدهای ژئوپلیتیکی نیز خواهد داشت و می‌تواند به آغاز استفاده از باتری‌ها در حوزه‌های جدید حمل‌ونقلی مانند حمل‌ونقل هوایی منجر شود.

برخی از ناظران بر این باورند که این تحول می‌تواند به اندازه تغییر از تلفن‌های ثابت به تلفن‌های همراه مهم باشد. اما فناوری «باتری‌های حالت جامد» خالی از شک و تردید هم نیست. منتقدان می‌پرسند آیا در این فناوری به مسائل علمی‌اساسی  هم پرداخته شده است؟ برخی دیگر این سوال را مطرح می‌کنند که آیا تولید با سرعت بالا و حجم انبوه در دسترس خواهد بود یا بازار قابل‌توجهی وجود خواهد داشت؟ ابهام موجود پیرامون باتری‌های حالت جامد بیانگر این است که مجموعه راه‌حل‌های موجود به اندازه کافی خوب نیستند. به اعتقاد یک تحلیلگر شرکت کانکورد جنیوتی، فروش سالانه با این فناوری حدود ۲۰ تا ۳۰درصد رشد می‌کند و تقریبا مصرف‌کنندگان از آن‌ عقب‌نشینی نمی‌کنند.

آخرین ادعای تویوتا مبنی بر پیشرفت بزرگ، این سوال را برانگیخته است که باتری‌های حالت جامد چقدر می‌توانند در کربن‌زدایی سیستم حمل‌ونقل جهانی نقش داشته باشند. مدیر مرکز مشترک تحقیقات ذخیره انرژی در آزمایشگاه ملی آرگون معتقد است باتری‌های حالت جامد «آرزوی دست‌نیافتنی» صنعت باتری هستند؛ اما آیا این نوآوری‌های جالب نوآوری‌هایی در مقیاس آزمایشگاهی هستند که هنوز راه درازی تا رسیدن به تولید دارند یا می‌توانند در مقیاس مناسب تولید شوند؟

همه باتری‌ها به یک شکل کار می‌کنند: جریانی از اتم‌های باردار الکتریکی که از طریق ماده شیمیایی به نام الکترولیت از آند به کاتد حرکت می‌کنند و جریانی را در این فرآیند تولید می‌کنند. باتری‌های حالت جامد با سلول‌های لیتیوم یونی فعلی تفاوت دارند، زیرا از الکترولیت جامد استفاده می‌کنند. مواد مختلف از جمله پلیمرها، اکسیدها و سولفیدها به عنوان الکترولیت‌های بالقوه در حال آزمایش هستند. خودروهایی که از باتری‌های حالت جامد استفاده می‌کنند بسیار ایمن‌تر خواهند بود، چراکه الکترولیت‌های مایع بیشتر در معرض خطر آتش‌سوزی قرار دارند.

تغییر الکترولیت به خودی خود لزوما منجر به تغییر مرحله‌ای در عملکرد باتری نمی‌شود. اشتیاق واقعی به پیشرفت فناوری آندهای فلزی لیتیوم بستگی دارد که آن را توانمند می‌سازد. جایگزینی گرافیتی که در آندهای فعلی استفاده می‌شود به دو برابر شدن برد باتری کمک می‌کند، تا حدی به این دلیل که سبک‌تر است. باتری‌های حالت جامد با چالش‌های فناوری پایه طولانی‌مدتی مواجه بوده‌اند. یک مشکل حفظ عملکرد باتری و جلوگیری از خرابی است، چراکه شارژ شدن و خالی شدن مکرر باعث تشکیل دندریت‌ها و دسته‌های لیتیوم  می‌شود که می‌تواند منجر به ترک خوردن شود. چالش دیگر ایجاد تماس پایدار بین مواد جامد است. اولین «موفقیت بزرگ» که توسط تویوتا در ژوئن اعلام شد، مربوط به حل‌وفصل مسائل فنی طول عمر بود، اگرچه جزئیات در مورد اینکه چه نوع موادی منجر به پیشرفت آن شده است، ناچیز بوده است.

اما معرفی باتری‌های حالت جامد می‌تواند تاثیر شگرفی بر آینده صنعت خودروی جهان داشته باشد. در حال حاضر، چین به دلیل پیشروی در فناوری باتری و تولید، پتانسیل تسلط بر مرحله بعدی این صنعت را دارد. به گفته آژانس بین‌المللی انرژی، سال گذشته، این کشور بیش از ۷۵درصد باتری‌ها را در سراسر جهان تولید کرده است. کاتل بزرگ‌ترین سازنده باتری در جهان است و ۳۷ درصد از سهم بازار را به خود اختصاص داده است. این شرکت سودآورترین سازنده باتری است. باتری‌های حالت جامد ممکن است تنها راه جلو زدن از پکن در رقابت باتری باشد.

تویوتا تنها شرکتی است که روی این فناوری سرمایه‌گذاری می‌کند. نیسان و هوندا برنامه‌های خاص خود را در این زمینه دارند. سه تولیدکننده پیشرو باتری کره جنوبی، ال‌جی انرژی سولوشن، سامسونگ اس‌دی‌آی و اس‌کی، همگی قصد خود را برای توسعه چنین سلول‌هایی تا اواخر دهه ۲۰۲۰ اعلام کرده‌اند. استارت‌آپ‌های آمریکایی کوانتوم اسکیپ و سولید پاور، که شرکای فولکس واگن و بی‌ام‌دبلیو هستند، به ترتیب تاریخ‌های تجاری‌سازی مشابهی برای فناوری‌های خود دارند. بر این اساس باتری‌های حالت جامد برای تجدید قوای خودروسازان ژاپنی که در استراتژی خودروهای برقی عقب هستند عامل کلیدی خواهند بود.

چین فناوری مواد خام باتری را نیز کنترل می‌کند. باتری‌های حالت جامد می‌توانند نقاط ضعف خاصی مانند اتکای فعلی به گرافیت را کاهش دهند، که پکن هفته گذشته محدودیت‌هایی برای صادرات آن اعمال کرد. اما این نوع باتری‌ها برای کاهش کمبود پیش‌بینی‌شده لیتیوم کاری انجام نمی‌دهند، چراکه‌ حتی بیشتر از باتری‌های فعلی مصرف می‌کنند. حتی اگر بتوان بر چالش‌های فناوری و تولید انبوه غلبه کرد، این موضوع ناشناخته است که آیا باتری‌های حالت جامد می‌توانند هزینه‌های تولید را کاهش دهند تا عرضه جهانی خودروهای برقی تسریع شود؟

تولید کلان به کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند. اما عملکرد و هزینه باتری‌های لیتیوم یون فعلی نیز به طور مداوم درحال بهبود است، زیرا فناوری‌های دیگری مانند آند سیلیکون پیشرفت می‌کنند. حساسیت شدید باتری‌های حالت جامد به رطوبت و اکسیژن می‌تواند هزینه‌های تولید را بالا نگه دارد، در‌حالی‌که پیچیدگی آنها ممکن است نیازمند طراحی مجدد خودروهای برقی باشد.

اگر هزینه‌ها به اندازه کافی کاهش نیابد، باتری‌های حالت جامد ممکن است به خودروهای لوکس یا کامیون محدود شوند. رئیس تجارت مواد باتری در شرکت کره‌ای فولادسازی پوسکو، تخمین می‌زند حتی اگر همه‌چیز طبق برنامه پیش برود، باتری‌های حالت جامد می‌توانند تا سال ۲۰۳۵ تنها ۱۰درصد از کل بازار خودروهای برقی را به خود اختصاص دهند. حتی کوجی ساتو، مدیر اجرایی تویوتا، نیز برای «تحول‌برانگیز» نامیدن باتری‌های حالت جامد برای پیروزی در مسابقه جهانی خودروهای برقی، تردید داشته است.

ساتو اشاره کرد باتری‌های حالت جامد در ابتدا در مدل‌های سطح بالا در حجم‌های کوچک عرضه می‌شوند، در‌حالی‌که باتری‌های لیتیوم یونی برای خودروهای مقرون‌به‌صرفه‌تر استفاده خواهند شد. اما بسیاری از مدیران صنعت توافق دارند که فناوری‌های تشکیل‌دهنده حالت جامد به‌تدریج در باتری‌های امروزی ادغام خواهند شد. از منظر گلن مرفلد، مدیر ارشد فناوری در شرکت البمارل، بزرگ‌ترین تولیدکننده لیتیوم در جهان، باتری حالت جامد ایده‌آلی است که باید به سمت آن حرکت کرد. باتری‌های لیتیوم یون امروزی در نهایت به این شکل تکامل خواهند یافت.

با وجود تمام موانع فنی باقی‌مانده، برخی از ناظران معتقدند تاثیر بالقوه آن می‌تواند عمیق باشد. یک باتری با عملکرد بهبودیافته می‌تواند سبب بازطراحی بسیاری از جنبه‌های تحولات جهانی شود که تاکسی‌های بدون راننده، هوانوردی منطقه‌ای و انواع جدید پهپادها از جمله این تحولات است. به گفته شرلی منگ، استاد دانشگاه شیکاگو، باتری حالت جامد باید یک ماموریت را انجام دهد، که هرگز جایگزینی باتری‌های قدیمی نیست. این تحول برای گشودن قفل کارهایی است که قبلا انجام آن ممکن نبود.