شرکت CATL، به عنوان پیشتاز جهانی در تولید باتری‌های خودروهای برقی، در افق آینده خود به تحقیق و توسعه باتری‌های لیتیوم-هوا که دارای ظرفیت فوق‌العاده‌ای برای ایجاد چگالی انرژی بالا و پیمایش دقیقاً تغییرپذیر هستند، علاقه‌مند است. با این حال، تحقق این اهداف بلندپروازانه، نیازمند غلبه بر چالش‌های مهندسی مهمی است که هنوز به حل‌وفصل تجاری دست نیافته‌اند.
ظرفیت برجسته باتری‌های لیتیوم-هوا
طبق گزارشات مختلف، باتری‌های لیتیوم-هوا (Lithium-Air Battery) امکان دستیابی به چگالی انرژی نظری پنج برابر بیشتر از باتری‌های حالت جامد امروزی را دارند، که می‌تواند منجر به پیمایش تا ۲۰۰۰ کیلومتر برای خودروهای برقی شود. این نوع فناوری، بر خلاف باتری‌های لیتیوم-یون متداول که لیتیوم را بین دو الکترود ذخیره می‌کنند، از لیتیوم فلزی به عنوان الکترود منفی و اکسیژن موجود در هوا به عنوان الکترود مثبت بهره می‌برد. در زمان دشارژ، لیتیوم با اکسیژن ترکیب شده و پراکسید لیتیوم (Li₂O₂) را تولید می‌کند؛ اما در هنگام شارژ، این واکنش معکوس شده و اکسیژن آزاد می‌شود. همان‌طور که اشاره شد، بهره‌وری از اکسیژن موجود در فضا به این فناوری چگالی انرژی نظری زیادی می‌دهد، هرچند این ارقام (به عنوان مثال ۳۵۰۵ وات‌ساعت بر کیلوگرم) تنها بیان‌کننده پتانسیل الکتروشیمیایی و نه عملکرد نهایی باتری‌های خودرویی هستند.
باتری CATL این فناوری را به عنوان تجربه‌ای تحقیقاتی و درازمدت معرفی کرده است و هیچ زمان‌بندی خاصی برای تولید تجاری آن ارائه نداده است. برنامه‌ریزی فعلی این شرکت در زمینه تجاری‌سازی بر باتری‌های سدیم-یون و حالت جامد تمرکز دارد.
چالش‌های مهندسی در مسیر تحقق باتری‌های ۲۰۰۰ کیلومتری
با این که بهبودهای قابل توجهی در آزمایشگاه‌ها در سال‌های اخیر به دست آمده، همچنان موانع مهمی برای تبدیل باتری‌های لیتیوم-هوا به راهکارهای عملی برای خودرهای سواری وجود دارد:
- مدیریت هوا و پیچیدگی‌های مربوطه: باتری‌های لیتیوم-هوا به اکسیژن نیاز دارند، اما باید از نفوذ رطوبت و دی‌اکسید کربن محیط محافظت شوند تا از واکنش‌های نامطلوب و آسیب به اجزا جلوگیری شود. این نیازمند سیستم‌های پیچیده‌ای برای مدیریت هوا، فیلتراسیون و کنترل رطوبت است که به نوبه خود به وزن، حجم و نیاز به انرژی اضافی در خودرو افزوده می‌شود.
- کارایی و قابلیت شارژ: حذف پراکسید لیتیوم از کاتد در حین فرآیند شارژ به انرژی بیشتری نیاز دارد و ممکن است واکنش‌های جانبی ایجاد کند که به الکترولیت و سایر اجزا آسیب برساند. این واکنش‌های جنبی می‌توانند به افت ظرفیت و کاهش عمر چرخه باتری منجر شوند. همچنین، آندهای لیتیوم فلزی ممکن است در طی فرآیندهای مکرر رسوب و حذف لیتیوم با عدم پایداری مواجه شوند.
- چگالی انرژی وکارایی خودرو: یک خودرو علاوه بر اینکه به چگالی انرژی (مقدار انرژی ذخیره‌شده در هر واحد جرم یا حجم) نیاز دارد، باید چگالی توان (سرعت تحویل انرژی) کافی نیز برای تسریع، سبقت‌گیری و رانندگی پایدار دارا باشد. باتری‌ای با چگالی انرژی بالا اما توان خروجی کم، برای خودرو مناسب نخواهد بود و باید در فضای محدود محفظه باتری هم جای بگیرد.
گروه‌های تحقیقاتی متعدد از جمله پژوهشگران دانشگاه جیلین و آکادمی علوم چین، به پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای در دستیابی به چگالی انرژی مطلوب و عمر چرخه در آزمایشگاه‌ها دست یافته‌اند، اما این نتایج هنوز به کاربردهای تجاری و خودرویی مبدل نشده‌اند.
فناوری باتری لیتیوم-هوا، با وجود پتانسیل برجسته‌اش برای افزایش فاصله پیمایش خودروهای برقی به ۲۰۰۰ کیلومتر، همچنان به پیشرفت‌های مثبتی در زمینه پایداری، توان خروجی، مدیریت هوا، کارایی و بسته‌بندی کامل سیستم نیاز دارد تا به عنوان گزینه‌ای قابل قبول برای خودروهای سواری درآید. در حال حاضر، این فاصله قابل تصور همچنان در حد یک امکان نظری باقی مانده است.