فرادرسهمهچیز در مورد باتری در خودروهای الکتریکی و هیبریدی — به زبان ساده
باتری در هر‌اندازه و در هر سطحی از انرژی که باشد تنها برای یک منظور ساخته می‌شود؛ ذخیره انرژی.
امروزه افزون بر کاربردهای آشنایی که از باتری‌ها به یاد می‌آوریم در وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی (Hybrid Electric Vehicles, HEVs)، هیبریدی شارژی (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEVs) و وسایل نقلیه تمام الکتریکی (All-Electric Vehicles, EVs) هم از آنها استفاده می‌شود.
در مقاله «همه‌چیز در مورد خودروهای هیبریدی» به‌طور مفصل در مورد این وسایل نقلیه صحبت کردیم. در این مقاله به بررسی باتری‌هایی می‌پردازیم که در وسایل نقلیه الکتریکی مورداستفاده قرار می‌گیرند.
انواع سیستم‌های ذخیره انرژی در خودروهای الکتریکی
باتری لیتیوم-یون
باتری لیتیوم-یون (Lithium-Ion, LIB ) از نوع باتری‌های قابل شارژ است که در زمان تخلیه، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت و در هنگام شارژ شدن وارونه حرکت می‌کنند.
در حال حاضر در اکثر وسایل الکترونیکی قابل‌حمل مانند تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها به دلیل بالا بودن نسبت انرژی در واحد وزن، بیشتر از سایر سیستم‌های ذخیره انرژی الکتریکی مورداستفاده قرار می‌گیرند.
یک باتری لیتیوم-یون را می‌توان در هر زمان بی‌آنکه روی کارایی باتری اثر بگذارد شارژ کرد. اما چون باتری‌های لیتیم-یون معمولاً دارای طول عمر شارژ ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه هستند، اگر زودبه‌زود و قبل از تخلیه، شارژ شوند طول عمر باتری پایین می‌آید. همچنین در صورت ادامه شارژ پس از پر شدن، باتری آسیب‌دیده و از عمر آن کاسته می‌شود.
به همین دلیل برای شارژ آنها از مدارهای محافظ هوشمند استفاده می‌شود تا پس از پر شدن، جریان شارژ قطع شود و باتری بیش‌از‌حد شارژ نشود.
باآنکه بسیاری از سازندگان باتری‌های لیتیوم- یون طول عمر باتری را تا سه سال ذکر می‌کنند، بعضی از مصرف‌کنندگان طول عمر این باتری‌ها را 18 ماه گزارش کرده‌اند.
ویژگی‌های این باتری شامل موارد زیر است:
- نسبت قدرت به وزن بالا
- بهره‌وری انرژی بالا
- عملکرد بالا
- درجه حرارت بالا
- خود تخلیه کم (باتری شارژ خود را بدون مصرف آن، از دست می‌دهد).
اکثر اجزای باتری لیتیوم-یون را می‌توان بازیافت کرد. امروزه اکثر خودروهای هیبریدی شارژی و تمام وسایل نقلیه الکتریکی از باتری‌های لیتیوم-یون استفاده می‌کنند.
سازوکار شیمیایی به‌کار‌رفته در باتری‌های مورداستفاده در لوازم الکترونیکی با یکدیگر متفاوت است. همچنان تحقیق و توسعه بر روی این باتری‌ها برای کاهش هزینه‌ها و افزایش عمر مفید آنها در حال انجام است.
باتری‌های نیکل هیدرید
باتری‌های نیکل هیدرید فلزی (Nickel–Metal Hydride, NiMH )، به‌طورمعمول در کامپیوتر و تجهیزات پزشکی مورداستفاده قرار می‌گیرند و گستره‌ی خاصی از انرژی و قدرت را به نمایش می‌گذارند.
این باتری‌ها از نوع باتری‌های قابل شارژ هستند که شباهت زیادی به باتری‌های نیکل-کادمیمی دارند. این نوع باتری در قیاس با نوع نیکل-کادمیم، دو تا سه برابر ظرفیت بیشتری دارد.
باتری‌های نیکل هیدرید فلزی نسبت به باتری‌های سرب اسید، دارای چرخه عمر بیشتر، سالم‌تر و قابل‌اعتمادتر هستند. این باتری‌ها با موفقیت در وسایل نقلیه تمام الکتریکی و هیبریدی مورداستفاده قرار گرفتند.
مشکل‌های اصلی این باتری شامل:
- هزینه‌های تولید بالا
- خود تخلیه بالا
- تولید حرارت در دمای بالا
- کنترل دائمی سطح هیدروژن باتری
باتری‌های سرب اسید
باتری‌های سرب اسید (Lead–acid battery) به دلیل داشتن قدرت بالا، هزینه کم، سلامت و ایمنی، گزینه خوبی برای طراحان وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی هستند. با‌این‌حال، ذخیره کم انرژی نسبت به وزن و حجم آن ، عملکرد ضعیف در دمای پایین و دوره عمر کوتاه از معایبی است که از عملکرد بهینه این باتری‌ها می‌کاهد.
پیشرفت باتری‌های سرب اسیدی به دلیل مزیت‌هایی که دارند با سرعت سریعی در حال وقوع است.
امروزه این باتری‌ها تنها در وسایل نقلیه الکتریکی قابل‌حمل و برای ذخیره بارهای جانبی، مورداستفاده قرار می‌گیرند.
ابرخازن‌ها
ابرخازن‌ها (Ultracapacitors) یا خازن‌های الکتریکی دولایه (Electric Double Layer Capacitor, ELDC) خازن‌هایی دولایه هستند که از دو صفحه فلزی پوشانده شده با مواد مختلف از‌جمله کربن‌های فعال (Activated Carbon) تشکیل شده‌اند.
وجود این مواد متخلخل باعث پدید آوردن مساحت بیشتری برای ذخیره انرژی می‌شود. فرایند ذخیره انرژی در این خازن‌ها در یک مایع قطبی شده بین یک الکترود و یک الکترولیت رخ می‌دهد.
این خازن‌ها نسبت به خازن‌های معمولی ظرفیت بسیار بالاتری دارند اما ولتاژ قابل‌تحمل آنها که به ولتاژ شکست (break down voltage) معروف است پایین است. ظرفیت ابر خازن‌ها باعث به وجود آمدن کاربردهای جدیدی برای آنها شده است ولی قیمت آنها در مقایسه با خازن‌های معمولی بالاتر است.
این خازن‌ها می‌توانند انرژی اضافی را در هنگام شتاب و صعود وسیله نقلیه الکتریکی یا هیبریدی فراهم کنند و به بهبود انرژی ترمز کمک کنند.
کاربرد دیگر ابرخازن‌ها به‌عنوان دستگاه‌های ذخیره انرژی ثانویه در وسایل نقلیه الکتریکی است، زیرا آنها به باتری‌های الکتریکی در بالا ماندن سطح قدرتشان کمک می‌کنند.
بازیافت باتری‌ها
ورود وسایل نقلیه الکتریکی در بازارهای جهانی هنوز به گستردگی وسایل نقلیه با موتور بنزینی نرسیده است. بنابراین ما شاهد تعداد کمی از این وسایل نقلیه هستیم که به‌پایان عمر مفید خود نزدیک شده‌اند.
به همین دلیل تعداد باتری‌هایی که بعد از مصرف نیاز به بازیافت دارند کمتر از مقداری است که سران کشورها برای آنها بودجه خاصی را در نظر بگیرند. اما این موضوع در سال‌های آینده با جایگزین شدن خودروهای تمام الکتریکی به‌جای خودروهای بنزینی، مسیر جدیدی را پیش می‌گیرد.
بازیافت باتری‌ها از ورود مواد شیمیایی خطرناک به محیط‌زیست جلوگیری می‌کند.
در حال حاضر تلاش برای توسعه فرایندهای بازیافت باتری در حال انجام است. توسعه این فرایندها موجب به حداقل رساندن اثرات استفاده از لیتیوم-یون و سایر انواع باتری در وسایل نقلیه تمام الکتریکی و هیبریدی می‌شود.
اما تمام فرایندهای بازیافت، یکسان نیستند. در ادامه، فرایندهای بازیافت را باهم مرور می‌کنیم.
فرآیندهای بازیافت باتری
ذوب کردن
فرایند ذوب سازی، بازیافت عنصرهای اساسی و نمک‌ها را انجام می‌دهد.
در حال حاضر این فرایندها در مقیاس وسیع انجام می‌شوند و می‌توانند انواع مختلفی از باتری‌ها، مانند باتری‌های لیتیوم-یون و هیدرید نیکل را بازیافت کنند. ذوب در دماهای بالا رخ می‌دهد و مواد آلی، از‌جمله الکترولیت‌ها به‌عنوان سوخت یا کاهش‌دهنده، سوزانده می‌شوند.
در این فرایند، فلزات ارزشمند، بازیابی می‌شوند و از آنها برای ساخت محصولی جدید استفاده می‌شود. مواد دیگری از‌جمله لیتیوم در سرباره وجود دارد که اکنون به‌عنوان یک افزودنی در بتن استفاده می‌شود.
نکته
سرباره (Slag) محصولی مصنوعی و جانبی است که به هنگام جداسازی فلزات در کوره‌های ذوب از ناخالصی‌های موجود در آنها به وجود می‌آید.
بازیابی مستقیم
در برخی از فرایندهای بازیافت، مواد با‌کیفیت باتری‌ها به‌طور مستقیم، بازیابی می‌شوند. کامپوزیت‌ها با انواع فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی از هم جدا می‌شوند. در این فرایند، تمام مواد و فلزات فعال از بین می‌روند.
بازیابی مستقیم یک فرایند کم‌دما با حداقل انرژی است.
فرآیندهای متوسط (بازیابی میانه)
سومین نوع بازیابی در حقیقت چیزی میان دو فرایند ذوب کردن و بازیابی مستقیم است.
چنین فرایندهایی باتری‌های مختلفی را شامل می‌شوند و مواد بیشتری را در طول زنجیره بازیافت، بازیابی می‌کنند. جداسازی ترکیب‌های مختلف باتری، اغلب مانع از بازیابی مواد ارزشمندی می‌شود که در باتری‌ها وجود دارند.
بنابراین، طراحان باتری‌های الکتریکی باید به فرایندهای طی شده در مرحله بازیافت باتری هم توجه کنند. استاندارد‌سازی باتری‌ها، مواد به‌کار‌رفته و طراحی سلولی، مواردی هستند که باعث آسان‌تر و ارزان‌تر شدن فرایندهای بازیافت و بازیابی عنصرهای ارزشمند درون باتری‌ها می‌شوند.
