باتری های مورد استفاده در خودرو های برقی

اولین کنفرانس پیشرفتهای اخیر و روندهای آینده صنعت خودرو – مهر ماه 1399- دانشگاه علم و صنعت ایران

مروری بر جداکننده‌های باتری‌های لیتیوم یون در باتری‌های مورد استفاده در خودرو‌های برقی

چکیده

در این مقاله، تحولات اخیر و ویژگی جداکننده‌ها برای استفاده در باتری‌های لیتیوم یون بررسی شده است. در سال‌های اخیر تلاش‌های شدیدی برای تولید و پیشرفت جداکننده‌‌ها در باتری‌های لیتیوم یون قابل شارژ برای کاربرد‌های مختلف مانند الکترونیک، وسایل نقلیه برقی (خودرو برقی) و ذخیره انرژی برای شبکه‌های برق صورت گرفته است. جداکننده یکی از اجزای حیاتی برای باتری لیتیوم یون است زیرا مانع فیزیکی بین الکترود‌های مثبت و منفی است و اتصال کوتاه جلوگیری می‌کند. جداکننده همچنین به عنوان مخزن الکترولیت برای انتقال یون‌ها در طول چرخه‌های شارژ و تخلیه باتری عمل می‌کند. عملکرد باتری‌های لیتیوم یون بسیار تحت تاثیر مواد و ساختار جداکننده‌ها می‌باشد. در این مقاله الزامات و ویژگی‌های اصلی جداکننده‌ها، انواع آن‌ها و همچنین به طور خلاصه فرآیند ساخت و تکنولوژی آن‌ها معرفی شده و چشم انداز آینده بررسی شده است.

مقدمه

زندگی امروزه بشر بدون باتری تصور ناپذیر است. انرزی ذخیره شده به بخشی جدایی ناپذیر از زندگی روزمره ما تبدیل شده است. بدون این فناوری که بیش از صد سال قدمت دارد، داستان موفقیت لپ تاپ ها، تلفن های همراه و تبلت ها ممکن نبود. در این میان موضوع جدیدتری به نام حمل نقل و خودرو نیز مطرح می‌شود. حمل و نقل در آینده نیازمند ایده‌های جدیدی است که بین نیاز‌های هر جابه جایی، استفاده پایدار از منابع و حفاظت از محیط زیست تعادل ایجاد کند. همچنین با توجه به تغییرات اقلیمی و محدودیت سوخت‌های فسیلی، برای کاهش انتشار CO₂، نیاز به تلاش بیشتری است. در این راستا صنعت خودرو در حال حاضر در دنیا با بهینه سازی فناوری موتور و معرفی سامانه‌های اتوماتیک شروع/ توقف موتور و بازیابی انرژی ترمز، پیشرفت قابل توجهی بدست آورده است. این تلاش ها در فناوری محرکه معمولی ادامه دارد. با این حال، فناوری جدید محرکه لازم است تا انتقال از سوخت فسیلی که مدت زمان زیادی مورد استفاده بوده اند را به سوخت‌هایی بر پایه انرژی‌های تجدید پذیر انجام دهد. از دیدگاه امروز، برقی سازی نیروی محرکه در خودرو‌های هیبریدی، هیبریدی با شارژ خارجی و برقی، ابزار دستیابی به این هدف است که توسط جامعه، سیاست و صنعت تایید شده است. صرف نظر از میزان برقی سازی، سامانه‌های ذخیره سازی انرژی الکتریکی یعنی باتری ها نقش حیاتی را در این تغییرات فناورانه ایفا می‌کنند. باتری نوعی سامانه ذخیره سازی برای برق نیست بلکه نوعی مبدل انرژی الکتروشیمیایی است و در دهه‌های اخیر توسعهء آن به واسطه طی کردن مسیر پیچیده‌ای بوده است. این سامانه های ذخیره سازی الکتروشیمیایی به دو دسته سامانه های اولیه که به طور کلی نمی‌توانند دوباره شارژ شوند یا فقط به صورت محدود شارژ می‌شوند و سامانه‌های ثانویه که قابل شارژ بوده و در میان انواع آنها امروزه توجه ویژه به باتری های لیتیوم- یون که به دلیل تنوع‌شان اغلب نیازمندی ها را برطرف خواهند کرد و جایگزین تعدادی از سامانه‌های متداول موجود باتری خواهند شد، وجود دارد. این باتری‌ها (لیتیوم- یون) به عنوان محبوب ترین سیستم ذخیره سازی انرژی برای انواع وسیعی از دستگاه‌های الکترونیکی سبک از جمله لپ تاپ‌ها، دوربین‌های دیجیتال‌ و تلفن‌های همراه با بازار جهانی با ارزش حدودی ده میلیون دلار مورد توجه قرار گرفته‌اند آنها همچنین یکی از کاندید‌های امیدوار کننده به عنوان منبع بزرگ انرژی (توان) برای وسایل نقلیه الکتریکی و شبکه‌های هوشمند در حال ظهور هستند زیرا آنها دارای مزایای مهم متعددی از قبیل تراکم انرژی بالا، تاثیر حافظه، عمر طولانی مدت و خود تخلیه شوندگی کم می‌شوند. باتری های لیتیوم – یون شامل سه جزء عملکردی از جمله آند (الکترودهای منفی)، کاتد (الکترودهای مثبت) و الکترولیت (شکل 1) می‌باشد. هنگامی که باتری تخلیه می‌شود یون‌های لیتیوم از آند به کاتد از طریق الکترولیت غیر آبی حرکت می‌کند و جریان را حکل می‌کند. در طی شارژ شدن یک منبع انرژی الکتریکی خارجی نیرو را به جریان در جهت معکوس منتقل می‌کند و یون‌های لیتیوم از کاتد به آند در برابر الکترولیت مهاجرت می‌کنند. جداساز بین آند و کاتد قرار دارد. در یک باتری لیتیومی عملکرد اصلی جداساز جلوگیری از تماس فیزیکی الکترودهاست در حالیکه به عنوان مخزن الکترولیتی عمل می‌کند تا امکان انتقال یونی را فرآهم کند. در این مقاله بررسی به بررسی جداسازها، ویژگی‌ها و الزامات آن‌ها و همچنین میزان مصرف آن‌ها در بازار جهانی باتری‌های لیتیوم یون قابل شارژ مورد استفاده در خودرو پرداخته شده است.

1-جداکننده ها

جداکننده‌های باتری، مواد مسطحی هستند که بین الکترود‌های مثبت و منفی سلول باتری قرار می‌گیرند. عملکرد آن‌ها جلوگیری از تماس فیزیکی و اتصال کوتاه است. در عین حال آن‌ها باید یون‌ها را به آزادانه‌ترین شکل در الکترولیت بین الکترودها عبور دهند. این موضوع برای یکنواخت سازی شارژ و عملکرد سلول الکتروشیمیایی ضروری است. جداساز ها معمولا یک غشای پلیمری هستندکه یک لایه میکرو متخلخل را تشکیل می‌دهند. این غشاها بایستی پایداری شیمیایی و الکتروشیمیایی با توجه به مواد الکترولیت داشته باشند. همچنین استحکام و پایداری مکانیکی کافی برای مقاومت در برابر تنش‌های بالا در طی ساخت باتری داشته باشند. به عبارتی مورفولوژی جداسازها و خواص عملکردی آن‌ها بر عملکرد باتری از جمله میزان انرژی و تراکم باتری، عمر چرخه و ایمنی آن تاثیر می‌گذارد.

1-1 تاریخچه جداکننده

در این بخش به بخش کوتاهی از تاریخچه باتری و جداسازها پرداخته شده است:

در سال 1800 دانشمند آلمانی Alessandro Volta برای اولین بار باتری را معرفی کرد. در سال 1860 باتری‌های سربی- اسیدی اختراع شدند و در سال 1880 با پیشرفت تکنولوژی به بازار معرفی شدند. در دهه 1960- 1970 باتری‌های لیتیومی معرفی شدند که سه محقق Michael Armand، Robert Huggins ، Stanley Wittgham در این زمینه کار کردند. در سال 1990 باتری‌های فلزی لیتیومی قابل شارژ معرفی شد و یک سال بعد یعنی در سال 1990 به باتری‌های لیتیوم یونی معروف شدند.

در جداکننده‌های پلیمری بر خلاف بسیاری از انواع تکنولوژی‌ها، جداسازهای پلیمری به طور خاص برای باتری‌های توسعه یافته نبودند. بنابراین با توجه به شرایط موجودآن زمان، از تکنولوژی‌هایی استفاده کردندکه برای این مورد استفاده و بهینه نمی‌شد. حتی اگر این موضوع به نظر نامطلوب باشد اکثر جداسازهای پلیمری می‌توانند با هزینه کم تولید شوند. زیرا آن‌ها براساس اشکال موجود از فناوری‌‌ها هستند. Yoshino و همکارانش در شرکت Asahikasei (یکی از بزرگترین شرکت های صنعتی تولید محصولات غشایی) ، در سال 1983 برای اولین بار، مواد اولیه باتری لیتیومی ثانویه (LIBs) را توسعه دادند. با این حال قبل از اینکه باتری‌های لیتیوم یونی یتوانند تولید انبوه شوند، نگرانی‌های امنیتی مانند گرمای بیش از حد و پتانسیل بیش از حد بایستی مورد توجه قرار گیرد. Yoshino یک جداساز غشایی پلی اتیلن میکرو متخلخل با عملکرد Fuse ایجاد کرد. در مورد تولید گرمای غیر طبیعی درون سلول باتری، جدا کننده مکانیسم خاموش شدن را فرآهم می‌کند. تخلخل ها در اندازه میکرون توسط ذوب شدن بساه می‌شوند و جریان یونی متوقف می‌شود. در سال 2004 یک جداساز پلیمری الکترواکتیو با عملکرد حفاظت شارژ فوق العاده بالا اختراع شده بود و اولین بار توسط Denton و همکاران پیشنهاد شد.

1-2 انواع جدا کننده ها

در ساختار سل‌‌های باتری‌های لیتیوم یونی جداکننده‌ها بیشتر بر پایه پلی الفین می‌باشند و می‌توان آن‌ها را با توجه به فرآیند فیزیکی و فرآیند ساخت به 5 گروه تقسیم کرد:

• Microporous membrane separators
• Modified micro porous membrane separators
• Non-woven mat separators
• Composite membrane separators
• Electrolyte membranes

که چند مورد از موارد بالا به صورت مختصر توضیح داده می شود:

1-2-1 جداکننده‌های غشایی میکرو متخلخل

تخلخل در این غشاها در ابعاد میکرومتر می‌باشد. این غشاها با توجه به تعداد لایه‌هایشان می‌توانند در دو طبقه تک لایه و چند لایه قرار گیرند.

1-2-2 جداکننده‌های غشایی میکرو متخلخل اصلاح شده

اصلاح در این جداکننده‌ها از طریق روش‌هایی نظیر پیوند دادن با استفاده از پلاسما و تابش یا پوشش با پلیمر مختلف اصلاح شده است

1-2-3 جداکننده‌های نمدی بافته نشده

این جداکننده‌ها دارای ساختار تار تار هستند که به صورت الیاف در هم تنیده توسط روش‌های ذوب ریخته گری، رطوبت و الکتروریسی به یکدیگر متصل شده‌اند. از آنجایی که این الیاف دارای قطر‌های کوچک هستند، جداسازهای الیاف بافته نشده تخلخل بیشتر از سایر انواع جداسازها را نشان می‌دهد .

1-2-4 جداکننده‌های غشای کامپوزیتی

این جداکننده‌ها توسط پوشش دهی یا پر کردن غشاهای میکرومتخلخل یا نمد بافته نشده با مواد معدنی  تهیه می‌شوند. بنابراین این جداسازها دارای پایداری حرارتی فوق العاده هستند که سایر انواع این جداکننده‌ها نمی‌توانند به آن دست یابند.

1-2-5 جداکننده‌های الکترولیتی

این بخش شامل الکترولیت سرامیکی جامد، الکترولیت پلیمری جامد، الکترولیت پلیمر ژل و الکترولیت کامپوزیت است. این موارد به عنوان جداکننده و الکترولیت عمل می‌کنند و ایمنی باتری را بالا می‌برند.

1-3 ویژگی‌های جداکننده ها

جداکننده‌ها باید ویژگی های مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی زیادی داشته باشندتا قادر باشند کار خود را انجام دهند

جدول 1. ویژگی‌های جداکننده باتری‌های خودرو 

1-4 تکنولوژی و فناوری جداکننده

در سلول‌های لیتیوم یون جداکننده‌های باتری عمدتا از جنس پلی الفین‌ها هستند که در آن‌ها به وسیله یک فرآیند فیزیکی منفذهای بسیار ریزی در حد میکرون ایجاد شده است. فرآیند تولید جداکننده های باتری را می توان به دو گروه تقسیم کرد: روش خشک، روش تر.

1-4-1 روش خشک

در این فرآیند از پلی الفین به صورت گرانول استفاده می‌شود. این گرانول ها ذوب شده و سپس عملیات اکسترودر انجام می‌شود. پس از انجام اکسترودر مواد تحت کشش سرد قرار گرفته و فقط در یک جهت کشیده می‌شوند تا در سطح فیلم شکاف‌هایی ایجاد شود (شکل 2). پس از انجام عملیات فیلم های پلیمری جداکننده که دارای حفره می‌باشند برش زده می‌شوند.

1-4-2 روش تر

در این فرآیند، علاوه بر پلی الفین از مواد حفره ساز دیگری نظیر روغن های معدنی استفاده می‌شود. در این روش پلیمر مصرفی به صورت پودری می‌باشد که با مواد حفره ساز ترکیب شده و پس از اکسترود شدن و تشکیل فیلم پلیمری در دو جهت عمود بر هم کشیده می‌شوند و وارد حمام حلال شده تا مواد حفره ساز (که اغلب واکس و روغن‌های معدنی) هستند خارج شده و به جای آنها حفرات تشکیل شوند.

2-چشم انداز

نوعی از جداکننده‌های متداول باتری‌های لیتیوم- یون، غشاهای پلی الفین هستند که در بازار
اغلب کاربردهای مصرفی استفاده می‌شوند. تعداد قابل توجهی از شرکت های جهان در حال حاضر
به شدت در حال توسعه و فناوری ‌های جدید برای اجرای الزامات ایمنی ترکیبات سلول‌های
لیتیوم- یون بزرگ بدون افزایش هزینه‌های طراحی و هزینه‌های مواد هستند و این جداکننده‌ها
جزو کاربردهای ایمن کننده باتری‌های لیتیوم یون به شمار می روند و روند قابل توجهی را
در بازار‌های جهانی به خود اختصاص داده‌اند.

هانیه السادات میران موسوی^1*، سید محمود موسوی²، مهدی نجم آبادی ³

1 کارشناس مرکز نوآوری و شکوفایی گروه صنعتی پارت لاستیک، مشهد، ایران

2استاد گروه مهندسی شیمی، دانشگاه فردوسی مشهد، ایران

3 کارشناس ارشد مدیریت استراتژیک، دانشگاه تهران، شرکت همگرتوس، ایران

*پست الکترونیکی نویسنده مسئول: shirin_miranmousavi@yahoo.com