تلفنهای همراه و وسایل نقلیه الکتریکی (EV) که یکی از آنها همراهی جیبی برای ارتباطات و سرگرمیهای روزانه و دیگری نقش کلیدی در حملونقل سبز است، ممکن است دنیاها از هم جدا به نظر برسند. با این حال، آنها یک جزء اصلی مشترک دارند: باتری ها. هر دو به خانواده باتریهای لیتیوم{3} یونی تعلق دارند و بر اساس همان اصل حرکت یونهای لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی در هنگام شارژ و دشارژ کار میکنند. با این حال، عملکرد واقعی، طراحی و سناریوهای کاربردی آنها به طور چشمگیری متفاوت است. این مقاله به بررسی شکاف بین باتریهای تلفن همراه و باتریهای EV از پنج بعد اصلی میپردازد: چگالی انرژی، طراحی ساختاری، سیستمهای مدیریت، محیطهای عملیاتی، و طول عمر و هزینه.
1. چگالی انرژی: توان فشرده در مقابل ظرفیت ذخیرهسازی بالا-
باتری های تلفن همراه چگالی انرژی "فشرده اما قدرتمند" را در اولویت قرار می دهند. به عنوان مثال آیفون 15 پرو را در نظر بگیرید-باتری 3274 میلی آمپر ساعتی آن دارای چگالی انرژی تقریباً 700 وات ساعت در لیتر است. این به آن اجازه می دهد تا حداکثر انرژی را در فضای محدود یک تلفن هوشمند ذخیره کند تا از استفاده فشرده پشتیبانی کند. در مقابل، باتریهای EV بر ذخیره انرژی «در مقیاس بزرگ-و در عین حال پایدار» تأکید دارند. بسته باتری لیتیوم آهن فسفات (LFP) در محدوده استاندارد مدل 3 تسلا، با ظرفیت 60 کیلووات ساعت، دارای چگالی انرژی در حدود 160 وات ساعت بر کیلوگرم است. این باتری در حالی که نسبت به باتری تلفن همراه کمتر است، تقاضای صدها کیلومتر برد رانندگی را برآورده می کند و در عین حال ایمنی و هزینه را متعادل می کند.
تفاوت در چگالی انرژی از سناریوهای کاربردی متمایز آنها ناشی می شود. کاربران تلفن همراه به قابلیت حمل بسیار بالا نیاز دارند و برای به حداکثر رساندن ذخیره انرژی در دستگاه های باریک به باتری نیاز دارند. با این حال، خودروهای الکتریکی باید محدوده، وزن و هزینه را متعادل کنند. چگالی انرژی بیش از حد بالا می تواند خطر فرار حرارتی را افزایش دهد و سیستم های شیمیایی پایدار و بالغ را مطلوب تر کند.
2. طراحی سازه: عملکرد انفرادی در مقابل همکاری تیمی
باتری های تلفن همراه نمونه ای از طراحی "اجرای انفرادی" هستند. اکثر گوشیهای هوشمند از یک سلول باتری استفاده میکنند، و حتی راهاندازیهای سلولی دوگانه بسیار پیچیدهتر از باتریهای EV است. از نظر ساختار سلولی، باتریهای تلفن همراه معمولاً طراحی انباشتهای دارند، الکترودهای مثبت و منفی را با جداکنندهها جایگزین میکنند، سپس آنها را پس از پر شدن با الکترولیت در یک سلول کیسهای مهر و موم میکنند. این ساختار راندمان حجم و چگالی انرژی بالایی را ارائه میدهد اما در برابر اتلاف گرما و مقاومت ضربه ضعیفتری دارد.
از سوی دیگر، باتری های EV بر "همکاری تیمی" متکی هستند. باتری Blade BYD را به عنوان مثال در نظر بگیرید-کوچکترین واحد آن یک سلول بلند و باریک است. سلول های متعدد یک ماژول را تشکیل می دهند و چندین ماژول در یک بسته باتری ادغام می شوند و یک سیستم باتری کامل را ایجاد می کنند. این طراحی سلسله مراتبی تولید و نگهداری را ساده می کند و در عین حال کنترل دقیق دما را از طریق سیستم های خنک کننده مایع و مواد عایق حرارتی امکان پذیر می کند. علاوه بر این، باتریهای EV باید در برابر ارتعاشات و ضربهها در حین رانندگی مقاومت کنند و به استحکام ساختاری بالایی نیاز دارند. آنها اغلب از پوشش های آلیاژ آلومینیوم یا مواد کامپوزیت برای محافظت استفاده می کنند.
3. سیستم های مدیریت: نظارت پایه در مقابل کنترل هوشمند
سیستم مدیریت باتری (BMS) در تلفنهای همراه نسبتاً ساده است و بر حفاظت از شارژ بیش از حد،{0}محافظت تخلیه بیش از حد، حفاظت از اتصال کوتاه-و نظارت بر دما تمرکز دارد. به عنوان مثال، تحت پروتکل شارژ سریع کوالکام، شارژر تلفن با BMS ارتباط برقرار می کند تا ولتاژ و جریان شارژ را به صورت پویا تنظیم کند. با این حال، استراتژی کنترل محافظه کارانه برای جلوگیری از گرمای بیش از حد یا آسیب است.
BMS در خودروهای الکتریکی به عنوان یک "مغز هوشمند" عمل می کند. BMS CATL را به عنوان مثال در نظر بگیرید-به طور مداوم ولتاژ و دمای هزاران سلول را کنترل میکند و حالت آنها را از طریق مدارهای متعادل کننده تنظیم میکند تا از شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حد- جلوگیری کند. همچنین با سیستم کنترل خودرو همکاری می کند تا به صورت پویا توان خروجی را بر اساس حالت رانندگی و برد باقی مانده تنظیم کند. به عنوان مثال، در هوای سرد، BMS یک سیستم گرمایشی را برای افزایش فعالیت باتری فعال می کند. در طول-کروز سرعت بالا، توان خروجی را برای افزایش برد محدود میکند.
4. محیط های عملیاتی: محیط های داخلی ملایم در مقابل محیط های خشن
باتریهای تلفن همراه در محیطهای نسبتاً ملایم، عمدتاً در محیطهای داخلی یا در تنظیمات کنترلشده دمای{0} در فضای باز، کار میکنند. با این حال، عادات کاربر تخریب باتری را تشدید میکند-بازی طولانی مدت یا پخش ویدیو میتواند باعث افزایش دما شود، در حالی که شارژ سریع با جریانهای بالا پیری شیمیایی را تسریع میکند. تحقیقات نشان می دهد که باتری تلفن همراه پس از 500 چرخه در دمای 25 درجه حدود 80 درصد ظرفیت خود را حفظ می کند، اما این میزان در 45 درجه به 60 درصد کاهش می یابد.
باتری های EV با شرایط بسیار سخت تری روبرو هستند. در تابستان، دمای بسته باتری می تواند از 50 درجه تجاوز کند، که برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد، به سیستم خنک کننده مایع نیاز دارد. در زمستان، دمای پایین باعث کاهش فعالیت باتری می شود و برای حفظ عملکرد، نیاز به لایه های گرمایشی دارد. علاوه بر این، باتریهای EV باید ارتعاشات، ضربهها، و خوردگی اسپری نمک را تحمل کنند، که نیازمند طرحهای ساختاری ناهموار و مواد مقاوم در برابر آب و هوا هستند. به عنوان مثال، سلول های 4680 تسلا از طراحی میز برای کاهش مقاومت داخلی و تولید گرما استفاده می کنند، در حالی که چسب های ساختاری سلول ها را در برابر ضربه ایمن می کنند.
5. طول عمر و هزینه: جایگزینی مکرر در مقابل سرمایه گذاری بلند مدت-
باتری های تلفن همراه طول عمر کمتری دارند، معمولاً 80 درصد ظرفیت خود را پس از 500 تا 1000 چرخه حفظ می کنند و نیاز به تعویض دارند. برای آیفونها، تعویض رسمی باتری حدود 79 دلار هزینه دارد، اما گزینههای شخص ثالث ارزانتر هستند و باعث تشویق کاربر به تعویض میشوند. علاوه بر این، چرخش سریع گوشی های هوشمند به این معنی است که تخریب باتری اغلب تحت الشعاع عرضه های جدید دستگاه قرار می گیرد.
باتری های EV به طور قابل توجهی بیشتر دوام می آورند و پس از 1500 تا 2000 چرخه بیش از 80 درصد ظرفیت خود را حفظ می کنند. بسیاری از خودروسازان ضمانت نامه های 8 ساله یا 160000 کیلومتری ارائه می دهند. برای مثال، باتری Qilin CATL از یک ماده سه تایی با نیکل بالا با چگالی انرژی 255 وات ساعت بر کیلوگرم و عمر چرخه بیش از 2000 سیکل استفاده می کند که بیش از یک دهه استفاده از EV را پشتیبانی می کند. با این حال، باتری های EV گران هستند و 30 تا 40 درصد از کل هزینه یک وسیله نقلیه را تشکیل می دهند. بسته باتری در Han EV BYD تقریباً 11000 دلار قیمت دارد که تقریباً یک سوم قیمت یک خودروی جدید را جایگزین می کند. در نتیجه، مالکان خودروهای برقی تعمیر و نگهداری باتری را در اولویت قرار می دهند، در حالی که خودروسازان از طریق BMS بهینه و مدیریت حرارتی پیشرفته، طول عمر خود را افزایش می دهند.
6. چشم انداز آینده: همگرایی فناوری و برنامه های کاربردی توسعه یافته
با پیشرفت تکنولوژی، مرزهای بین باتری تلفن همراه و EV محو می شود. باتریهای تلفن همراه از فناوری شارژ سریع EV استفاده میکنند. در همین حال، باتریهای EV در حال بررسی فنآوریهای-وضعیت جامد و سلول سوختی هیدروژنی برای افزایش چگالی انرژی و ایمنی هستند.
در آینده، این باتری ها ممکن است در کاربردهای ذخیره انرژی همگرا شوند. باتریهای EV بازنشسته میتوانند در «دومین-عمر» در ذخیرهسازی انرژی خانه یا ایستگاههای پایه مخابراتی استفاده شوند و چرخه عمر آنها افزایش یابد. برعکس، فنآوری فشرده و با چگالی بالا باتریهای تلفن همراه میتواند از پوشیدنیها، هواپیماهای بدون سرنشین و سایر زمینههای نوظهور پشتیبانی کند.
نتیجه گیری
شکاف بین باتری های تلفن همراه و EV منعکس کننده سناریوهای کاربردی متفاوت و الزامات فنی آنهاست. اولی قابلیت حمل و استفاده مکرر را در اولویت قرار می دهد، در حالی که دومی بر دامنه و ایمنی تأکید دارد. اولی به هزینه{2}}حساس است و دومی طول عمر را در اولویت قرار می دهد. همانطور که علم مواد و الکترونیک تکامل می یابند، هر دو در حوزه های خود نوآوری خواهند کرد و در عین حال فناوری ها را برای گسترش کاربردها ادغام می کنند و در مجموع انقلاب انرژی سبز را هدایت می کنند.