باتری لیتیوم-هوایی CATL؛ برد ۲۰۰۰ کیلومتری واقعیت دارد؟
۱۷ آبان ۱۴۰۵ • منبع: چرخان
باتری لیتیوم-هوایی CATL دوباره بحث فنی درباره نسل آینده باتری خودروهای برقی را زنده کرده است؛ فناوری‌ای که در برخی محافل می‌تواند خودروهای برقی را به برد نظری ۲۰۰۰ کیلومتر برساند. اما این عدد هنوز یک امکان نظری است و CATL هیچ برنامه زمانی تجاری یا هدف تولیدی برای ساخت خودرویی با برد ۲۰۰۰ کیلومتر اعلام نکرده است.
خلاصه خبر
- باتری لیتیوم-هوایی CATL وعده برد نظری تا ۲۰۰۰ کیلومتر را می‌دهد؛ اما هنوز محصول تجاری نیست
- چگالی انرژی نظری این فناوری ۳۵۰۵ واتساعت بر کیلوگرم اعلام شده است؛ نه چگالی یک پک کامل خودرویی
- سه مانع اصلی: مدیریت هوا، بازده شارژ و پایداری آند لیتیمی
- CATL اولویت نزدیک به تولید را به سدیم-یون و حالتجامد داده است؛ لیتیوم-هوا جهتگیری بلندمدت تحقیقاتی است
- وو کای، دانشمند ارشد CATL، در نشست ۲۰۲۶ به لیتیوم-هوا اشاره کرد؛ اما هیچ زمان‌بندی تجاری اعلام نشده است
آنچه در این خبر می‌خوانید:
تصویر شاخص: تصویر مفهومی
باتری لیتیوم-هوایی CATL چگونه کار می‌کند؟
در باتری لیتیوم-هوایی، ماده اکساینده در کاتد ذخیره نمی‌شود. اکسیژن از هوای محیط وارد واکنش میشود. الکترود منفی از لیتیم فلزی ساخته شده است. در دشارژ، لیتیم با اکسیژن ترکیب میشود. ترکیباتی مانند اکسید یا پراکسید لیتیم در یک کاتد متخلخل شکل می‌گیرند. هنگام شارژ، این واکنش معکوس میشود. اکسیژن آزاد میشود و یون‌های لیتیم به آند بازمی‌گردند.
به‌خاطر بهره‌گیری از اکسیژن محیطی، محاسبات الکتروشیمیایی چگالی انرژی نظری بسیار بالایی نشان می‌دهند. این عدد اغلب به‌صورت ۳۵۰۵ واتساعت بر کیلوگرم نقل میشود. این رقم بر اساس واکنش تشکیل لیتیم-پراکسید و با لحاظ جرم اکسیژن محاسبه شده است. برخی محاسبات مرزی دیگر، با حذف جرم اکسیژن، اعداد بسیار بالاتری تا نزدیک به ۱۲۰۰۰ واتساعت بر کیلوگرم ارائه می‌دهند. اما هیچیک از این اعداد مستقیماً بیانگر چگالی انرژی یک بسته باتری خودرویی کامل نیست.
در نتیجه، عدد ۲۰۰۰ کیلومتر هم یک برآورد نظری است. این عدد از همان محاسبات انرژی ویژه به دست آمده است. در عمل، وزن الکترولیت، الکترودها، قطعات محافظتی و تجهیزات مدیریت هوا به پک اضافه میشود. بنابراین برد واقعی خودرو با این فناوری، در صورت ساخته شدن، کمتر از عدد نظری خواهد بود.
پیشرفت‌های آزمایشگاهی؛ از پروژه IBM تا سلول ۷۵۷ وات‌ساعتی
تاریخچه علاقه به باتری‌های فلز-هوا به دهه‌ها قبل برمی‌گردد. پروژه IBM با عنوان Battery ۵۰۰ از سال ۲۰۰۹ آغاز شد. هدف آن ساخت سلولی بود که یک خودروی الکتریکی را تا ۵۰۰ مایل، معادل حدود ۸۰۵ کیلومتر، با یک شارژ هدایت کند. این برنامه مشارکت‌های دانشگاهی و بین‌المللی داشت. اما به محصول تجاری برای خودرو منتهی نشد.
در سال‌های اخیر، پژوهشگران نقاط ضعف شیمیایی این فناوری را هدف قرار داده‌اند. پژوهشی در سال ۲۰۲۵ از دانشگاه علم و فناوری چین، به‌همراه پروفسور پنگ تان، نشان داد خواص انتقال اکسیژن در الکترولیت می‌تواند مکانیزم‌های واکنشی را تغییر دهد. در الکترودهای ضخیم، مقاومت در انتقال جرم مسیرهای واکنشی متفاوتی را در نقاط مختلف الکترود شکل می‌دهد. این کار بینش‌هایی برای طراحی الکترودها ارائه داد. اما راه‌حل مهندسی‌شده مناسبی برای جلوگیری از انسداد کاتد در محیط خودرویی ارائه نکرد.
نمونه دیگری در سال ۲۰۲۴ توسط پژوهشگرانی مرتبط با دانشگاه جی‌لین و آکادمی علوم چین در مجله Advanced Energy Materials منتشر شد. این تیم یک سلول پاکتی بهینه لیتیوم-هوا با الکترولیت پلیمری ژله‌ای درجا ساخت. این سلول در شرایط آزمایشگاهی مقدار ۷۵۷٫۵ واتساعت بر کیلوگرم را گزارش کرد. این سلول تحت شرایط آزمایش ۵۰۰ میلی‌آمپر بر گرم و ۱۰۰۰ میلی‌آمپرساعت بر گرم توانست ۲۴۱ سیکل را نشان دهد. این نتیجه در سطح سلول آزمایشگاهی مهم است. اما نشان‌دهنده رتبه عملکرد یک پک باتری قابل استفاده در خودرو نیست.
در سال ۲۰۲۳، محققان مؤسسه فناوری ایلینوی و آزمایشگاه ملی آرگونا در مقاله‌ای در مجله Science معماری حالت‌جامدی برای لیتیوم-هوا ارائه کردند. این معماری به‌جای مسیر دو الکترونی سنتی، به‌سمت یک واکنش چهار الکترونی می‌رفت و اکسید لیتیم را تشکیل می‌داد. این ساختار حداقل ۱۰۰۰ سیکل شارژ-دشارژ در دمای اتاق را ثبت کرد. پتانسیل نظری چگالی انرژی در این معماری حدود ۱۲۰۰ واتساعت بر کیلوگرم برآورد شد. این رقم نظری هم با معیارهای بسته خودرویی برابر نیست.
سه مانع مهندسی باتری لیتیوم-هوایی برای خودرو
نخستین مانع، مدیریت هوا است. باتری باید اکسیژن دریافت کند. اما در عین حال باید از ورود رطوبت و دی‌اکسیدکربن جلوگیری کند. این ناخالصی‌ها می‌توانند به واکنش‌های نامطلوب منجر شوند. رطوبت می‌تواند با لیتیم فلزی واکنش دهد. دی‌اکسیدکربن هم می‌تواند کربنات لیتیم تشکیل دهد. تجمع رسوبات در کاتد متخلخل مانع انتقال اکسیژن میشود. در نتیجه ظرفیت مفید پایین می‌آید.
برای این منظور، سیستم خودرویی باید ورودی هوای کنترل‌شده، فیلترها و مدیریت رطوبت داشته باشد. حتی ممکن است به تجهیزات جانبی گازپردازی نیاز داشته باشد. تمام این سامانه‌ها وزن و حجم افزایشی دارند. همچنین خود مصرف‌کننده انرژی خواهند بود. مطالعه‌ای در مجله Journal of Energy Storage در سال ۲۰۲۳ تخمین زد تجهیزات جانبی حدود ۵٫۴ درصد از توان باتری را مصرف می‌کنند. این عدد به طراحی وابسته است. اما نشانگر بار اضافی راه‌اندازی لیتیوم-هوا در خودرو است.
دومین مانع، شارژپذیری و کارآمدی است. برداشتن لیتیم-پراکسید از کاتد در فرایند شارژ انرژی اضافی می‌طلبد. در این مسیر، گونه‌های اکسیژن واکنشی تولید می‌شوند. این گونه‌ها به الکترولیت و سایر اجزای سلول حمله می‌کنند. واکنش‌های جانبی منجر به افت ظرفیت و عمر چرخه می‌شوند. آندهای لیتیم فلزی هم در طی ساخت و حل لیتیم در سیکل‌های مکرر پایدار نیستند. رشد دندریت‌ها یا ناهمگنی لایه لیتیم مشکلاتی ایجاد می‌کند. بنابراین چگالی انرژی اولیه بالا به‌تنهایی ضمانت عملکرد پایدار در صدها یا هزاران سیکل را نمی‌دهد.
سومین مانع اینکه چگالی انرژی ویژه به‌تنهایی معیار کفایت برای خودرو نیست. خودروها به ترکیبی از سه مشخصه نیاز دارند: انرژی ویژه، چگالی حجمی و چگالی توان. سلولی که انرژی ویژه زیادی دارد اما توان خروجی یا چگالی حجمی پایینی ارائه کند، الزاماً برای یک سکوی خودرویی مناسب نیست. خودرو باید توان‌های اوج را برای شتاب، سبقت‌گیری و حفظ سرعت فراهم کند. همچنین باتری باید در فضای محفظه باتری جای گیرد. تعویض پک‌ها هم نمی‌تواند مسائلی مانند تجزیه شیمیایی، بازسازی الکترولیت آسیب‌دیده یا پاک‌سازی رسوبات داخل الکترودها را حل کند.
نقشه راه CATL؛ لیتیوم-هوا در اولویت تولید نیست
باتری‌های لیتیوم-هوا لزوماً رقیب مستقیم باتری‌های حالتجامد نیستند. پژوهشگران ترکیب‌هایی را بررسی می‌کنند که از الکترولیت‌های جامد در معماری لیتیوم-هوا استفاده می‌کنند. هدف این ترکیب‌ها محافظت از آند لیتیم و تثبیت واکنش‌های الکتروشیمیایی است. کار آرگونا و ایلینوی نشان می‌دهد استفاده از الکترولیت‌های مرکب جامد-پلیمری، شامل نانوذرات حاوی لیتیم در ماتریس پلیمری، یکی از رویکردهاست. الزام به سرامیک‌هایی مثل LLZO بهعنوان یک پیش‌نیاز کلی لیتیوم-هوا قابل تعمیم نیست. اما ترکیب حالتجامد با معماری لیتیوم-هوا می‌تواند مسیر جدیدی باز کند.
در نقشه راه فناوری که برای شرکت‌های بزرگ باتری‌سازی معمول است، CATL اولویتهای نزدیکتر به تولید را به تکنولوژی‌هایی مثل سلولهای سدیم-یون و انواع حالتجامد اختصاص داده است. لیتیوم-هوا بهعنوان یک جهتگیری بلندمدت تحقیقاتی معرفی شده است. دانشمند ارشد این شرکت، وو کای، در نشست Equipment Powerhouse Forum سال ۲۰۲۶ به لیتیوم-هوا بهعنوان ذخیرهای برای تحقیقات آتی اشاره کرد. اما هیچ برنامه زمانی تجاری یا هدف تولیدی اعلام‌شده‌ای مبنی بر ساخت خودرویی با برد ۲۰۰۰ کیلومتر توسط CATL منتشر نشده است.
باتری لیتیوم-هوایی؛ از خودرو تا پهپادهای ارتفاع بالا
اگرچه تبدیل پتانسیل الکتروشیمیایی به یک باتری خودرویی بادوام، قابل شارژ و عملی کار دشواری است، برخی حوزه‌ها ممکن است در آینده بهعنوان اولین مشتریان این نوع سلول‌ها مطرح شوند. برای مثال، هواپیماهای بدون سرنشین با برد بلند و ارتفاع زیاد که نیازمند نسبت انرژی به وزن بسیار بالا هستند، گاهی نامزدهای بالقوه باتری‌های با انرژی ویژه بالا معرفی می‌شوند. اما باید تأکید کرد این فرصت‌های کاربردی با برنامه تاییدشده و عملی شرکت‌هایی مثل CATL اشتباه نشوند. در حال حاضر، ادعاهای برد ۲۰۰۰ کیلومتر بیشتر در حوزه امکان نظری قرار دارند تا محصولی که CATL عملاً آن را در خودرو پیاده‌سازی کرده باشد.
از منظر بازار، اولویت‌گذاری CATL روی سدیم-یون و حالتجامد معقول به‌نظر می‌رسد. این فناوری‌ها نسبت به لیتیوم-هوا مسیر کوتاه‌تری تا تولید انبوه و تجاری شدن دارند. همچنین چالش‌های مهندسی عملی کمتری در مقیاس بسته خودرویی دارند. سرمایه‌گذاری بلندمدت در لیتیوم-هوا می‌تواند در صورت عبور از موانع، انقلابی در محدوده عملی رانندگی ایجاد کند. اما در وضعیت فعلی ریسک فنی و تجاری بالاست. این مسیر نیاز به پیشرفت هم‌زمان در مواد، الکترولیت‌ها، سامانه‌های مدیریت هوا و بسته‌بندی دارد.
در نهایت، مسیر تبدیل پتانسیل الکتروشیمیایی لیتیوم-هوا به یک راهکار عملی برای خودروسازی، مسیری طولانی و پرهزینه است. این مسیر نیازمند همگامی پیشرفت‌های مواد، مهندسی سیستم و طراحی خودروست. برای بازیگران صنعتی از جمله CATL، تعادل میان تحقیق بلندمدت و تمرکز روی فناوریهای نزدیک به بازار مانند سدیم-یون و حالتجامد، رویکرد منطقی به‌نظر می‌رسد.
| چگالی انرژی نظری (با جرم اکسیژن) | ۳۵۰۵ واتساعت بر کیلوگرم |
| محاسبه مرزی (بدون جرم اکسیژن) | نزدیک به ۱۲۰۰۰ واتساعت بر کیلوگرم |
| سلول پاکتی آزمایشگاهی (۲۰۲۴) | ۷۵۷٫۵ واتساعت بر کیلوگرم، ۲۴۱ سیکل |
| معماری حالتجامد (۲۰۲۳) | حدود ۱۲۰۰ واتساعت بر کیلوگرم نظری، حداقل ۱۰۰۰ سیکل |
| هدف پروژه IBM (۲۰۰۹) | ۵۰۰ مایل، حدود ۸۰۵ کیلومتر با یک شارژ |
| مصرف تجهیزات جانبی مدیریت هوا | حدود ۵٫۴ درصد از توان باتری |
این خبر چه تأثیری بر بازار خودرو دارد؟
تحلیل Car360 — این بخش تحلیل رسانه است، نه خبر تاییدشده.
اگر قصد خرید خودروی برقی دارید، این خبر یک پیام روشن دارد: برای خودرویی با برد ۲۰۰۰ کیلومتر منتظر نمانید. باتری لیتیوم-هوایی هنوز در مرحله تحقیقاتی است و CATL هیچ زمان‌بندی تجاری برای آن اعلام نکرده است. در نتیجه، فناوریهای نزدیکتر به بازار، یعنی سدیم-یون و حالتجامد، زودتر به خودروهای واقعی می‌رسند. هنگام خرید خودروی برقی، به‌جای اعداد نظری، به برد واقعی، سرعت شارژ، گارانتی باتری و خدمات پس از فروش توجه کنید. خودروهای برقی معرفی‌شده اخیر، مانند هوندا آلفا، زیکر ۰۰۱ و نیسان N۷، با فناوری باتری امروز ساخته شدهاند و برد آن‌ها مشخص و قابل بررسی است. همچنین اگر برد بالا برای شما مهم است، فناوریهای دیگری مانند متانول هم در حال آزمایش هستند؛ برای مثال جیلی امگرند L متانولی بردی حدود ۱۸۸۰ کیلومتر را هدف گرفته است. در نهایت، پیشرفت باتری لیتیوم-هوایی را دنبال کنید، اما تصمیم خرید امروز را بر اساس خودروهای موجود در بازار بگیرید.
سوالات متداول
❓ باتری لیتیوم-هوایی چیست؟
در باتری لیتیوم-هوایی، اکسیژن از هوای محیط وارد واکنش میشود. الکترود منفی از لیتیم فلزی ساخته شده است. در دشارژ، لیتیم با اکسیژن ترکیب میشود و اکسید یا پراکسید لیتیم در یک کاتد متخلخل شکل میگیرد. هنگام شارژ، این واکنش معکوس میشود و اکسیژن آزاد میگردد.
❓ آیا خودرویی با برد ۲۰۰۰ کیلومتر با باتری لیتیوم-هوایی ساخته شده است؟
خیر. عدد ۲۰۰۰ کیلومتر یک امکان نظری است که از محاسبات چگالی انرژی به دست آمده است. CATL هیچ برنامه زمانی تجاری یا هدف تولیدی برای ساخت چنین خودرویی اعلام نکرده است. در حال حاضر این فناوری در مرحله تحقیقاتی و آزمایشگاهی قرار دارد.
❓ چگالی انرژی باتری لیتیوم-هوایی چقدر است؟
عدد نظری چگالی انرژی ۳۵۰۵ واتساعت بر کیلوگرم است. محاسبات مرزی تا نزدیک به ۱۲۰۰۰ واتساعت بر کیلوگرم هم ارائه شدهاند. اما هیچیک از این اعداد چگالی انرژی یک پک کامل خودرویی نیست. بهترین سلول آزمایشگاهی گزارششده در سال ۲۰۲۴، مقدار ۷۵۷٫۵ واتساعت بر کیلوگرم را ثبت کرده است.
❓ باتری لیتیوم-هوایی چه زمانی به بازار می‌رسد؟
زمان مشخصی برای آن وجود ندارد. این فناوری هنوز در مرحله تحقیقاتی است. سه مانع اصلی مدیریت هوا، بازده شارژ و پایداری آند لیتیمی باید برطرف شود. CATL اولویت نزدیک به تولید را به سلولهای سدیم-یون و انواع حالتجامد داده است و لیتیوم-هوا را جهتگیری بلندمدت تحقیقاتی می‌داند.
❓ CATL روی چه فناوریهای باتری تمرکز کرده است؟
CATL اولویتهای نزدیکتر به تولید را به سلولهای سدیم-یون و انواع حالتجامد اختصاص داده است. لیتیوم-هوا بهعنوان یک جهتگیری بلندمدت تحقیقاتی معرفی شده است. دانشمند ارشد این شرکت، وو کای، در نشست Equipment Powerhouse Forum سال ۲۰۲۶ به لیتیوم-هوا بهعنوان ذخیرهای برای تحقیقات آتی اشاره کرد.
