آینده خودروهای برقی به‌دست باتریهای فسفات لیتیم آهن (LFP) رقم خواهد خورد
رقیب قدر یا شتاب‌دهنده انرژی‌های نو
تقریبا تمام خودروهای برقی فروخته شده در آمریکای‌شمالی از باتریهای لیتیم یونی با کاتدهایی که با استفاده از تغییرات شیمیایی نیکل-کبالت قدرت می‌گیرند بهره می‌برند. این باتری‌ها بهترین ترکیب ممکن از نظر برد، قدرت و اندازه را ارائه می‌دهند اما قیمت بالایی دارند. به‌دنبال افزایش قیمت‌ها در پی آغاز درگیری‌‌‌‌ها میان روسیه و اوکراین و افزایش تقاضا برای خودروهای برقی، بهای نیکل و کبالت به بیش از دو‌برابر قیمت ۲۰۲۱ رسیده‌است. از طرفی ترکیب شیمیایی نیکل- کبالت در صورتی‌که باتری از نظر فیزیکی آسیب ببیند یا نقص تولید داشته‌باشد، مستعد ناپایداری حرارتی است؛ به‌صورتی‌که در طول سه سال‌گذشته ۶فراخوان مختلف برای خودروهای برقی از جمله شورولت بولت اعلام‌شده‌است. ناپایداری حرارتی به دلیل آزاد‌شدن اکسیژن در ترکیب نیکل و کبالت، وقتی سلول دچار اتصال کوتاه داخلی می‌شود پدید می‌آید و منجر به بالا رفتن دما می‌شود.
بدیهی است آتش به سوخت، اکسیژن و منبع احتراق نیاز دارد، با محدود ساختن هریک از این موارد می‌توان از احتمال آتش‌سوزی جلوگیری کرد. یکی از پرطرفدارترین راه‌‌‌‌ها برای خاموش‌کردن آتش استفاده از آب یا کف برای خفه‌کردن شعله‌‌‌‌ها از طریق نرسیدن اکسیژن به آن است، با این حال هنگامی که آتش در باتری نیکل-کبالت شروع می‌شود، اکسیژن موردنیاز خود را تولید می‌کند و به همین دلیل است که خاموش‌کردن این قبیل از آتش‌سوزی‌‌‌‌ها دشواری بیشتری دارد. باتریهای لیتیم فسفات آهن به هنگام اتصال داخلی و آزاد ساختن گازهای مختلف، اکسیژن تولید نمی‌کند و دچار احتراقی همچون باتریهای نیکل-کبالت نمی‌شود. این امر آنها را به محصولاتی بسیار ایمن‌‌‌‌تر و بادوام‌‌‌‌تر و صد البته با چگالی انرژی کمتری تبدیل می‌کند.
به‌طور معمول باتری لیتیم، آهن و فسفات که مشابه باتری نیکل ساخته شده‌است، حدود ۳۰ تا ۴۰درصد چگالی انرژی کمتری دارد، بااین‌حال تاب‌‌‌‌آوری بیشتری در‌هزاران چرخه شارژ دارد و در‌برابر آسیب‌های ناشی از شارژ سریع مقاوم است. شرکت «ناوی» مستقر در میشیگان از زیرمجموعه‌‌‌‌های هلدینگ ONE در سال۲۰۲۰ توسط مجیب ایجاز، مدیر اجرایی سابق فورد، A۱۲۳ سیستمز و اپل تاسیس شد. هدف این هلدینگ ساخت باتریهای ایمن‌‌‌‌تر، ارزان‌تر و پایدارتر بود و آنها اکنون ادعا می‌کنند که با معرفی آخرین باتری خود به‌عنوان AriesII پیشرفت چشمگیری داشته‌‌‌‌اند. ورژن اصلی و اولیه Aries I در حال‌حاضر در حجم کم تولید می‌شود و توسط Motiv Power Systems مستقر در کالیفرنیا برای خودروهای برقی باری و همچنین در جایگاه‌های سوخت استفاده می‌شود.
باتریهای نیکل-منگنز-کبالت
ایجاز ادعا می‌کند که در ارتقای Aries II نسبت به نسخه اصلی، ۲۵درصد از هزینهها کاسته شده‌است و نسبت به باتریهای نیکل،منگنز و کبالت خودروهای برقی ۶درصد چگالی انرژی افزایش یافته‌است و مهم‌تر از همه، این باتری نیازی به نیکل یا کبالت ندارد. هلدینگ ONE با استفاده از استراتژی «از سلول تا مجموعه(C۲P)» در باتریهای لیتیم یونی به این امر دست یافته‌است که اجازه می‌دهد سلولهای بیشتری را در محفظه باتری جای دهند.
به‌طور معمول باتریهای با ساختار مدولار دارای آرایش جعبه در جعبه (box-in-a-box) هستند که در آن سلول‌ها ابتدا در یک محفظه ماژول نصب می‌شوند و سپس در محفظه بزرگتر قرار می‌گیرند. این محفظه‌‌‌‌ها فضای بیشتری را اشغال می‌کنند، همچنین به اتصالات و سیم‌‌‌‌کشی بیشتری نیز نیاز دارند که هزینه تولید را افزایش می‌دهد. در بسته مدولار متداول، تنها حدود ۳۰ تا ۳۵درصد حجم محفظه‌‌‌‌ها از سلولهای فعال تشکیل شده‌است که وظیفه ذخیره انرژی را به عهده دارند. در باتری Aries II تمام سلول‌ها مستقیما داخل محفظه قرارگرفته‌‌‌‌اند و با صفحات گرماگیر و خنک‌‌‌‌کننده به هم متصل شده و فضای بیشتری از محفظه را سلولهای فعال پر‌می‌کنند. در این باتری‌ها نسبت سلول فعال به فضا بیش از ۷۰درصد است.
انتظار می‌رود باتری Aries II برای خودروهای برقی در آینده این امکان را فراهم آورد که با یکبار شارژ تا ۳۵۰ مایل مسافت را طی کنند. هلدینگ ONE البته قبلا توانایی ساخت خودرویی مشابه تسلا مدل S را با نمونه اولیه باتری جمینی (Gemini) ثابت کرده است که می‌تواند بیش از ۷۵۰مایل را طی کند. در باتری جمینی از دو ماده‌شیمیایی LFP و سلول منگنز بدون آند استفاده شده‌است. در وضعیتی که مردم به‌صورت روزانه استفاده محدودی از خودروی خود دارند و تنها در شرایط استثنائی به استفاده از حداکثر برد باتری احتیاج پیدا می‌کنند، باتری جمینی تنها برای افزایش برد طراحی شده‌است. سلولهای LFP را می‌توان با استفاده از طراحی لیتیوم- فلز مبتنی بر منگنز و با درهم آمیختن با منگنز ارتقا داد. این سلول‌ها چگالی انرژی بسیار بیشتری نسبت به LFP دارند، اما توان و عمر چرخه کمتری دارند، درحالی‌که سلولهای LFP می‌توانند تا ۲هزار‌بار شارژ شوند، سلولهای بدون آند تنها چند صد چرخه شارژ را می‌توانند دوام بیاورند.
زمانی‌که عمر سلولهای LFP رو به اتمام هستند، می‌توان آنها را توسط سلولهای بدون آند شارژ کرد و برد را افزایش داد. از آنجا‌که در سلولهای بدون آند، بر روی فویل مسی از هیچ پوشش گرافیتی استفاده نمی‌شود، نیمی از هزینه ساخت و تجهیزات مربوطه حذف می‌شود و به‌طور قابل‌توجهی هزینه کلی کاهش می‌‌‌‌یابد. ایجاز تخمین می‌زند که این سلول‌ها می‌توانند هزینه را تا ۵۰ دلار در هر کیلووات ساعت کاهش دهند و هزینه کلی استفاده از باتری را می‌توانند تا ۷۵ دلار در هر کیلووات ساعت پایین بیاورند. باتری جمینی برای کاربردهایی با برد ۶۰۰ مایلی هدف‌گذاری شده‌اند.
هلدینگ ONE درحال‌حاضر اولین کارخانه خود را در ون بورن میشیگان در دست ساخت دارد و فاز‌اول آن آماده بهره‌‌‌‌برداری تا پایان سال۲۰۲۳ است. در فاز‌اول، قسمت تولید آزمایشی راه‌اندازی خواهد شد که انتظار می‌رود قادر باشد تا ۱۰ مگاوات ساعت سلول در سال‌تولید کند و همراه با آن محلی برای آموزش نیروی کار و توسعه زنجیره تامین فراهم خواهد آمد. فاز‌دوم قرار است تا پایان سال۲۰۲۴ با ظرفیت ۲.۷ گیگاوات ساعت تکمیل شود و فاز‌سوم در سال‌بعد ظرفیت کامل را به ۲۰گیگاوات ساعت خواهد رساند.
بازار خودروهای سنگین
اولویت اولیه هلدینگ ONE تمرکز بر بازار خودروهای سنگین و ذخیره‌سازی شبکه‌ای است و درنظر دارد محصولات و فرآیندهای خود را با اهداف برنامه‌‌‌‌ریزی‌‌‌‌شده برای ۲۰۲۷-۲۰۲۶ همگام سازد. این شرکت در حال‌حاضر قرارداد توسعه مشترکی با شرکت آلمانی بی‌‌‌‌ام‌‌‌‌و دارد و در حال آزمایش باتری Aries II بر روی BMW iX است. شرکت فورد نیز درحال‌حاضر قصد دارد در سال‌جاری از سلولهای LFP در برخی از خودروهای خود با برد استاندارد همچون Mustang Mach-E و سپس در F-۱۵۰ Lightning در سال۲۰۲۴ استفاده کند. آنها همچنین ساخت کارخانه سلولهای LFP با ظرفیت ۴۰ گیگاوات ساعت را در مارشال میشیگان آغاز کردهاند. با این‌حال، جنرال‌موتورز تابه‌حال در اضافه‌کردن LFP به برنامه‌های خود کمی دست‌‌‌‌به‌‌‌‌عصا‌‌‌‌تر عمل کرده‌است.
جنرال‌موتورز سرمایه‌گذاری ۶۰میلیون دلاری در Mitra Chem، استارت‌آپ مستقر در مونتین‌ویوی کالیفرنیا انجام داده و به این وسیله درنظر دارد به توسعه نسل بعدی مواد شیمیایی موردنیاز سلولهای LFP کمک کند. شرکت Mitra Chem در بخش تولید سلول یا باتری LFP فعالیت ندارد و به‌طور کلی فعالیت خود را متمرکز بر توسعه ترکیبات جدید مواد از جمله فسفات آهن لیتیوم منگنز (LMFP) کرده‌است. بخش مهمی از فعالیت شرکت استفاده از سیستم‌های یادگیری ماشین برای شبیه‌‌‌‌سازی و آزمایش‌هزاران ترکیب شیمیایی به‌منظور یافتن بهترین راه‌‌‌‌حل‌‌‌‌ها است.
هدف این استارت‌آپ، سرعت‌بخشیدن به فرآیند طراحی، توسعه محصول و دستیابی به سلول‌هایی با عملکرد بالاتر بادوام و با هزینه کمتر به جهت پیشی‌گرفتن جنرال‌موتورز از رقبا است. مرکز تحقیق و توسعه Mitra Chem می‌تواند مواد کاتدی را در بازه حجمی گرم تا کیلوگرم برای آزمایش شبیه‌‌‌‌سازی و سپس تولید کند، پس از شناسایی ترکیبات قابل دوام، آنها در پروژه‌هایی مشترک با جنرال‌موتورز در آزمایش خودروهای جدید همکاری خواهند داشت.
با توجه به اینکه خودروهای برقی کماکان به دلیل قیمت بالا در سبد خرید قشر عظیمی از مردم قرار ندارند، کاستن از هزینهها، عامل کلیدی آزمایش ترکیبات شیمیایی مبتنی بر آهن است. البته دوام و ایمنی در طولانی‌‌‌‌مدت نیز از نگرانی‌های اصلی خودروسازان است. افزودن منگنز به ترکیب سلولهای LFP همچنین با هدف بهبود عملکرد سلولهای مبتنی بر آهن در آب وهوای سرد انجام می‌شود. منگنز مشابه آهن و فسفر، ارزان، پایدار و در اکثر نقاط جهان به‌راحتی در دسترس است.
گیل گولان، معاون تجاری‌‌‌‌سازی فناوری جنرال‌موتورز، چارچوب زمانی مشخصی را برای بهره‌‌‌‌گیری از سلولهای مبتنی بر آهن در خودروهای برقی جنرال‌موتورز اعلام نکرده‌است و تنها به اشاره احتمال معرفی باتریهای جدید در بازه زمانی اواسط تا نیمه دوم دهه، بسنده کرده‌است. درحال‌حاضر چین در تجاری‌‌‌‌سازی باتریهای LFP ابتکار عمل در بازار را به‌دست گرفته‌است. اکثر خودروسازان آمریکای‌شمالی، معرفی خودروهایی با باتریهای مبتنی بر آهن، استفاده از استراتژی ترکیب C۲P و مواد شیمیایی تصفیه‌‌‌‌شده را تا سال‌های آخر دهه‌مدنظر قرار داده‌اند. انتظار می‌رود آنها بتوانند گزینه‌‌‌‌هایی را معرفی کنند که نسبت به باتریهای نیکل امروزی هزینه کمتری داشته باشند.
برای مقایسه بهتر باتریهای LFP و لیتیم یونی بهتر است نگاهی به ترکیبات این دو دسته از باتری‌ها داشته باشیم. باتری LFP نوعی باتری لیتیم یونی است که از فسفات آهن به‌عنوان کاتد استفاده می‌کند. باتریهای LFP به چگالی انرژی بالا، عمر طولانی و عملکرد خوب در دماهای بالا معروف هستند. از این باتری‌ها اغلب در مواردی استفاده می‌شود که عمر طولانی و عملکرد خوب در شرایط ویژه مانند خودروهای برقی، شبکه‌‌‌‌های ذخیره انرژی و ابزارهای برقی قابل‌حمل از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از موارد استفاده اصلی لیتیم آهن فسفات (LFP) و باتریهای لیتیم یونی، خودروهای برقی هستند. به‌دلیل ویژگی قابل‌شارژ مجدد بودن باتریهای لیتیم یونی، از آنها به‌طور گسترده در خودروها استفاده می‌شود. چگالی انرژی بالا، آنها را به گزینه‌‌‌‌ای کارآمد و کاربردی برای تامین انرژی خودروهای برقی تبدیل‌کرده است که می‌توانند مسافت‌‌‌‌های طولانی را با یکبار شارژ طی کنند. تفاوت اصلی میان این دو گونه از باتری‌ها را می‌توان در موارد ذیل دسته‌بندی کرد:
ترکیب: باتریهای LFP از فسفات‌آهن لیتیوم به‌عنوان ماده‌کاتد استفاده می‌کنند، درحالی‌که باتریهای لیتیم یونی می‌توانند از مواد کاتدی مختلفی مانند اکسید‌کبالت، اکسید‌منگنز یا اکسید‌نیکل استفاده کنند.
چگالی انرژی: باتریهای لیتیم یونی چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتریهای LFP دارند، به این معنی که می‌توانند انرژی بیشتری را در حجم معین ذخیره کنند. این امر آنها را برای استفاده در خودروهای برقی شخصی و سبک، مناسب کرده‌است.
ایمنی: باتریهای LFP به‌طور کلی ایمن‌‌‌‌تر از باتریهای لیتیم یونی درنظر گرفته می‌شوند، زیرا احتمال کمتری دارد که در معرض ناپایداری حرارتی و آتش‌سوزی قرار گیرند.
هزینه: تولید باتریهای LFP معمولا نسبت به باتریهای لیتیم یونی ارزان‌تر است اما چگالی انرژی کمتری نیز دارند؛ بنابراین برای تامین انرژی موردنیاز خودروی برقی به باتریهای بزرگتری احتیاج پیدا می‌شود که می‌تواند مزیت هزینه را زیر سوال ببرد.
عملکرد: باتریهای LFP و لیتیم یونی هر دو می‌توانند عملکرد خوبی در خودروهای الکتریکی داشته باشند. با این‌حال بسته به‌دسته‌‌‌‌های مختلف، ویژگی‌های عملکرد به طراحی و ترکیب شیمیایی باتری موردنظر بستگی دارد. به‌طور کلی، انتخاب بین باتریهای LFP و لیتیم یونی برای خودروهای برقی به الزامات و اولویت‌های خاصی بستگی دارد. خودروسازان باید عوامل مختلفی مانند چگالی انرژی، هزینه، ایمنی و عملکرد را درنظر داشته باشند. از جمله نقاط افتراق این دو گروه از باتری‌ها می‌توان به تفاوت در فرآیند بازیافت آنها اشاره کرد، اگرچه هر دو باتری لیتیم آهن فسفات و لیتیم یونی قابل بازیافت هستند اما بازیافت هر نوع باتری، کمی متفاوت است. بازیافت باتریهای LFP عموما راحت‌‌‌‌تر از باتریهای لیتیم یونی درنظر گرفته می‌شوند، زیرا مواد کاتد از فسفات آهن؛ ترکیبی پایدار که برای محیط‌زیست مضر نیست ساخته شده‌است.
علاوه‌بر این، باتریهای LFP حاوی فلزات سنگین یا سایر مواد سمی نیستند، بنابراین در طول فرآیند بازیافت دردسر کمتری در انتظار شرکت‌هاست. از سوی دیگر، بازیافت باتریهای لیتیم یونی به دلیل فلزات سنگین و سایر مواد سمی موجود در کاتد، چالش‌‌‌‌برانگیزتر به‌نظر می‌رسد. علاوه‌بر این، فرآیند بازیافت برای باتریهای لیتیم یونی پیچیدگی بیشتری دارد و شامل تجزیه باتری به اجزای سازنده آن و جداسازی کاتد، آند و الکترولیت است. به‌طور کلی، هر دو باتری LFP و لیتیوم یونی قابل بازیافت هستند، اما باتریهای LFP به دلیل ترکیب شیمیایی ساده‌‌‌‌تر و کمبود مواد سمی، پروسه بازیافت راحت‌‌‌‌تری دارند.
نقطه‌عطفی برای صنعت
یکی از جریان‌های روبه‌‌‌‌رشد درمیان خودروسازان جهانی، استفاده از باتریهای LFP ساخت چین است که به دلیل مقرون‌به‌صرفه بودن شهرت پیدا کردهاند. با افزایش سهم بازار باتریهای LFP، نگرانی‌ها در مورد بحران احتمالی سه تولیدکننده بزرگ باتری کره‌‌‌‌ای افزایش یافته‌است. با این‌حال، کارشناسان صنعت پیش‌بینی می‌کنند که شکاف عملکرد بین LFP و باتریهای کرهجنوبی، نیکل، کبالت و منگنز (NCM) و نیکل، کبالت وآلومینیوم (NCA) که بازار را در قبضه خود دارند احتمالا باقی خواهد ماند. به گفته منابع صنعتی، تسلا قصد دارد از ماه اکتبر در «مدل۳» خودروهای خود از جمله مدلY RWD، باتریهای چینی نصب کند. شایعاتی در بازار مبتنی بر این ایده شکل‌گرفته‌است که باتریهای «مدل ۳» از نسل بعدی باتریهای LFP، معروف به «باتریهای M۳P» هستند که توسط شرکت پیشرو چینی CATL ساخته شده‌اند.
باتری M۳P ترکیبی از باتری سنتی LFP با مزایای باتری لیتیم یونی NCM است، اگرچه ترکیب دقیق این باتری فاش نشده‌است، کارشناسان حدس می‌زنند که در این باتری‌ها آهن از ترکیب مورد‌استفاده LFP حذف شده و با مخلوطی از منگنز، روی و آلومینیوم جایگزین شده‌است. باتری M۳P با چگالی انرژی نزدیک به ۲۳۰وات‌ساعت در کیلوگرم، عملکردی مشابه باتری لیتیم یونی NCM با ۲۶۰وات ساعت بر کیلوگرم دارد. هزینه تولید این گروه از باتریهای نسل جدید تقریبا ۳۰درصد ارزان‌تر از باتریهای لیتیم یونی و مشابه هزینه تولید LFP است. درحال‌حاضر نگرانی‌هایی وجود دارد که ممکن است سهم بازار باتریهای LFP از باتریهای لیتیم یونی پیشی گیرد. یک محقق در موسسه سیاست‌های اقتصادی بین‌المللی، در این زمینه می‌گوید: «در آینده نزدیک، سهم بازار جهانی LFP احتمالا از باتریهای لیتیم یونی NCM پیشی خواهد‌گرفت.»
او همچنین تاکید داشت «هر چند اخیرا ۳ شرکت برتر کره‌‌‌‌ای توسعه و تجاری‌‌‌‌سازی باتریهای LFP را آغاز کردهاند، رقابت با شرکت‌های چینی که فعالیت یکپارچه و مقرون به صرفه‌‌‌‌ای دارند، آسان نخواهد بود.» وی همچنین افزود شرکت‌های کرهجنوبی باید زنجیره‌های تامین مواد خام جدیدی برای تولید باتری LFP ایجاد کنند و برای رقابت منابع با شرکت‌های چینی آماده شوند. با این‌وجود، کماکان نمی‌توان باتریهای LFP را به‌عنوان رقیبی برای باتریهای لیتیم یونی درنظر گرفت. بر اساس گزارش اخیر مرکز تحقیقات تجاری گروه مالی KB، از کرهجنوبی، انتظار می‌رود باتری‌ها بر اساس اهداف و کاربردهای خاص خود به اقسام ارزان، متوسط و با قیمت بالا تقسیم شوند. به گفته محقق موسسه سیاست‌های اقتصادی بین‌المللی، می‌توان از باتریهای ارزان‌تر در دوچرخه‌‌‌‌های برقی، خودروهای کوتاه برد و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی (ESS) استفاده کرد.
خودروهای سواری نیز از باتریهای معمولی استفاده خواهند کرد. او تاکید دارد که باتریهای چینی لزوما تهدیدی برای شرکت‌های کره‌‌‌‌ای و ژاپنی محسوب نمی‌شوند. باتریهای LFP ذاتا چگالی انرژی پایینی دارند و فعالیت آنها در محیط‌‌‌‌هایی با دمای پایین دچار مشکلاتی است. پیشرفت تکنولوژی تنها منحصر به باتریهای مبتنی بر آهن نیست و باتریهای لیتیم یونی نیز از پتانسیل بالا و قابل‌توجهی برای تکامل برخوردارند. نظرات این محقق در مورد آینده باتریهای لیتیم یونی NCMبا خوش‌بینی همراه بود و تاکید ویژه‌ای بر افزایش تقاضا برای باتریهای با کارآیی بالا در نسل بعدی دارد.
