سنسورهای پیشرفته در باتری‌ها می‌توانند به خودروهای برقی کمک کنند تا مسافت بیشتری را طی کنند، برای مدت طولانی‌تری کار کنند و آسیب کمتری به محیط زیست وارد کنند. © StudioFI، Shutterstock.com

باتری‌ها یکی از بزرگترین موانع بر سر راه پذیرش گسترده خودروهای برقی (EV) هستند. اما اگر آنها نه تنها بتوانند بیشتر دوام بیاورند، بلکه خودشان را نیز تعمیر کنند، چه؟ این دیدگاهی است که محققانی مانند یوهانس زیگلر و لیو سوفو را به حرکت درآورده است، که در تلاشند تا این امر را به واقعیت تبدیل کنند.

فروش خودروهای برقی در اروپا در حال افزایش است و در فوریه نسبت به ماه مشابه در سال 2024، 20 درصد افزایش داشته است. خودروهای برقی برای برقی کردن حمل و نقل و کاهش انتشار کربن که سیاره را نابود می‌کند، ضروری هستند، اما سفر آنها بدون چالش نیست.

اکثر خودروهای برقی به باتری‌های لیتیوم یونی متکی هستند، مشابه باتری‌های موجود در تلفن‌های ما، اما بسیار بزرگتر و پیچیده‌تر. یک باتری خودروی برقی حاوی ده‌ها کیلوگرم فلزات با ارزش - لیتیوم، نیکل و مس - است و باید بیش از یک دهه دوام بیاورد، که با طول عمر مورد انتظار یک خودروی برقی مطابقت دارد.

برای مقابله با این چالش، تیمی از محققان تحت یک ابتکار عمل با بودجه اتحادیه اروپا به نام PHOENIX گرد هم آمده‌اند و هدفشان توسعه باتری‌هایی است که بتوانند خود را ترمیم کنند. هدف آنها افزایش عمر باتری، ایمن‌تر کردن آنها و کاهش نیاز به فلزات جدید باتری است.

زیگلر، دانشمند مواد در موسسه فراونهوفر برای تحقیقات سیلیکات ISC در آلمان، گفت: «ایده این است که طول عمر باتری را افزایش دهیم و ردپای کربن آن را کاهش دهیم، زیرا همان باتری می‌تواند خود را تعمیر کند، بنابراین منابع کمتری در کل مورد نیاز است.»

در سال 2023، اتحادیه اروپا 34 ماده را به عنوان مواد حیاتی شناسایی کرد، از جمله فلزات باتری مانند لیتیوم، نیکل، مس و کبالت.

پروژه PHOENIX به افتخار پرنده افسانه‌ای که از خاکستر خود برمی‌خیزد نامگذاری شده است - نمادی مناسب برای تولد دوباره و تجدیدی که محققان امیدوارند در فناوری باتری به آن دست یابند.

و سهام بالا است. قانون‌گذاری اتحادیه اروپا مستلزم آن است که تمام خودروها و ون‌های جدید فروخته شده از سال 2035 به بعد، انتشار صفر داشته باشند. هدف این است که انتشار گازهای گلخانه‌ای از بخش حمل و نقل به طور قابل توجهی کاهش یابد.

برای تحقق این امر، خودروهای برقی به باتری‌های بهتری نیاز خواهند داشت.

حس و ماشه

هر کسی که صاحب تلفن هوشمند است، ناامیدی از باتری‌ها را می‌داند: پس از چند سال، طول عمر آنها به شدت کاهش می‌یابد. همین مشکل خودروهای برقی را نیز در مقیاس بزرگتر گرفتار می‌کند.

این اتفاق می‌افتد زیرا قسمت‌هایی از باتری با شارژ و دشارژ مکرر در طول زمان تخریب می‌شوند.

دانشمندان از بلژیک، آلمان، ایتالیا، اسپانیا و سوئیس در حال همکاری برای طراحی حسگرهایی هستند که تغییرات داخل یک باتری لیتیوم یونی را با افزایش سن تشخیص می‌دهند و در صورت نیاز، ترمیم خودکار باتری را فعال می‌کنند.

هدف این است که طول عمر باتری‌ها و در نتیجه عمر خودروهای برقی را دو برابر کنیم.

“

ایده این است که طول عمر باتری را افزایش دهیم و ردپای کربن آن را کاهش دهیم، زیرا همان باتری می‌تواند خود را تعمیر کند، بنابراین منابع کمتری در کل مورد نیاز است.

امروزه، سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) - مغز یک باتری - ولتاژ و دمای باتری را نظارت می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که بیش از حد گرم نمی‌شود و باعث ایجاد مشکلات ایمنی نمی‌شود.

ایو استاففر، مهندس در مرکز سوئیسی الکترونیک و ریزفناوری (CSEM)، یک مرکز نوآوری که فناوری‌های مخرب را توسعه می‌دهد، گفت: «در حال حاضر، آنچه حس می‌شود، به طور کلی در دما، ولتاژ و جریان بسیار محدود است. علاوه بر ارائه تخمینی از در دسترس بودن انرژی باقی‌مانده، ایمنی را نیز تضمین می‌کند.» استاففر رهبری تحقیقات BMS را بر عهده دارد.

تیم PHOENIX قصد دارد با معرفی حسگرها و ماشه‌های پیشرفته، فراتر رود. برخی از آنها زمانی که باتری منبسط می‌شود را تشخیص می‌دهند، برخی دیگر یک نقشه حرارتی تولید می‌کنند و برخی دیگر گازهای خطرناکی مانند هیدروژن یا مونوکسید کربن را زیر نظر می‌گیرند.

همه این حسگرها یک سیستم هشدار اولیه برای سلامت باتری ارائه می‌دهند.

هنگامی که مغز باتری تصمیم می‌گیرد که تعمیر لازم است، ترمیم فعال می‌شود. این می‌تواند به معنای فشرده کردن باتری به شکل اولیه، به عنوان مثال، یا اعمال حرارت هدفمند برای فعال کردن مکانیسم‌های خودترمیم در داخل باشد.

سوفو، یک شیمیدان باتری در CSEM که روی PHOENIX نیز کار می‌کند، گفت: «ایده این است که تحت عملیات حرارتی، برخی از پیوندهای شیمیایی منحصر به فرد دوباره برگردند.»

یک رویکرد خودترمیم دیگر از میدان‌های مغناطیسی برای شکستن دندریت‌ها - ساختارهای فلزی منشعب که در الکترودهای باتری در حین شارژ تشکیل می‌شوند و می‌توانند باعث اتصال کوتاه و خرابی شوند - استفاده می‌کند.

اندازه مهم است

محققان PHOENIX همچنین قصد دارند برد خودروهای برقی را افزایش دهند و اندازه باتری‌ها را کاهش دهند.

سوفو گفت: «ما در تلاشیم تا باتری‌های نسل بعدی با چگالی انرژی بالاتر را توسعه دهیم.» این بدان معناست که یک خودروی برقی به یک باتری کوچکتر نیاز دارد که آن را سبک‌تر می‌کند و به آن اجازه می‌دهد با یک بار شارژ بیشتر رانندگی کند.

یک استراتژی جایگزینی گرافیت، ماده‌ای که در مداد استفاده می‌شود، با سیلیکون است که بین فلزات و غیرفلزات قرار دارد.

سوفو گفت، این ماده به طور گسترده در باتری‌های تجاری امروزی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، تا حدی به این دلیل که سیلیکون ناپایدارتر است و حجم آن می‌تواند تا 300 درصد در حین شارژ و دشارژ منبسط شود. با وجود سیلیکون در داخل، یک باتری باید بتواند از این تغییرات شدید جان سالم به در ببرد یا خود را تعمیر کند.

“

ما در تلاشیم تا باتری‌های نسل بعدی با چگالی انرژی بالاتر را توسعه دهیم.

در مارس 2025، یک دسته جدید از نمونه‌های اولیه حسگر و ماشه توسعه یافت و برای آزمایش روی سلول‌های کیسه‌ای باتری - باتری‌های لیتیوم یونی انعطاف‌پذیر، سبک وزن و مسطح - به شرکا ارسال شد.

با این حال، در حالی که بارگذاری یک باتری با حسگرها برای ارائه اطلاعات در مورد وضعیت سلامت آن عالی است، اما به هزینه آن نیز می‌افزاید. بنابراین، این تیم بر شناسایی فناوری‌هایی متمرکز است که به اندازه کافی مزیت ارائه می‌دهند تا هزینه خودروهای برقی را توجیه کنند.

هر رویکردی که غالب شود، خودروهای برقی آینده را قادر می‌سازد تا بیشتر دوام بیاورند و بیشتر رانندگی کنند، با باتری‌های ایمن‌تر، فشرده‌تر و کم‌مصرف‌تر.

افزایش عمر باتری همچنین ردپای کربن خودروهای برقی را کاهش می‌دهد و یک برد-برد را برای مصرف‌کنندگان و محیط زیست ارائه می‌دهد.

زیگلر گفت: «هیجان‌انگیز است که طول عمر باتری‌ها را افزایش دهیم و روی خودروهای برقی کار کنیم.» «همه چیز در مورد کنار هم قرار دادن قطعات است.»