تاریخچه تولید باتری ماشین از اشکانیان تا دوران مدرنیته

ما اغلب می گوییم که باتری خودرو در ۱۲ سال گذشته بیشتر از ۶۰ سال قبل تغییر کرده است. با در نظر گرفتن این موضوع، ما فکر می‌کنیم که این زمان خوبی است تا به تاریخچه باتری خودرو نگاه کنیم و نظرات کارشناسان را در مورد اینکه باتری‌ها در ۲۰ سال آینده به کجا می‌روند، بپردازیم.

ریشه های باستانی تولید باتری ؟

برخی از دانشمندان بر این باورند که شواهدی در تأیید این نظریه یافت شده است که دستگاهی شبیه باتری توسط اشکانیان باستان که در۲۰۰ سال قبل از میلاد بر منطقه بغداد کنونی حکومت می کردند، استفاده می شد. هنگام حفر خطوط راه آهن در دهه ۱۹۳۰ در بغداد، کارگران کوزه های سفالی به طول ۱۳ سانتی متر پیدا کردند که پس از بررسی دقیق، به نظر می رسید که شبیه باتری هستند. آنها با یک پایانه مثبت (یک میله آهنی) و یک پایانه منفی (یک استوانه مسی) کامل بودند و اعتقاد بر این است که یک محلول سرکه مانند به عنوان الکترولیت استفاده شده است که امکان واکنش شیمیایی لازم برای عملکرد باتری را فراهم می کند. همه کارشناسان موافق نیستند که این دستگاه‌های گلدان سفالی در واقع باتری بودند، و همچنین توافق نظری در مورد اینکه برای چه چیزی مورد استفاده قرار می‌گرفتند وجود ندارد. گفته می شود، کپی های مدرن توانایی تولید بین ۰.۸ ولت تا ۲.۰ ولت با هر گلدان را نشان داده اند. بنابراین، باتری ها ممکن است بیش از ۲۰۰۰ سال قبل شروع به کار کرده باشند.

فوروارد سریع به اولین باتری سرب اسید

در حالی که در اوایل دهه ۱۷۰۰ گام های کوچکی در پیشرفت باتری برداشته شد، لحظه مهم بعدی در تکامل باتری با الساندرو ولتا بود که در سال ۱۸۰۰ چندین اکتشاف کلیدی انجام داد که باعث پیشرفت در توسعه باتری شد. ابتدا، او تشخیص داد که مایعات خاصی هنگامی که به عنوان رسانا استفاده می شوند، یک جریان پیوسته از نیروی الکتریکی تولید می کنند. او همچنین دریافت که فلزات مختلف الکترون‌ها را با سرعت‌های متفاوتی (پتانسیل ولتاژ) جذب و آزاد می‌کنند. سرانجام، او متوجه شد که می‌تواند ولتاژ کل را با چیدن سلول‌هایش روی هم افزایش دهد.

این اکتشافات و سایر اکتشافات باعث اختراعات بیشتر شد و در طراحی اولین باتری تولید انبوه توسط ویلیام کرویکشنک در سال ۱۸۰۲ به اوج رسید. باتری‌های او و سایر باتری‌ها در طول سال‌های بعد تکامل یافتند، اما همه آنها یک معضل مشترک داشتند: همه آنها باتری‌های یک‌بار مصرف بودند و قابل شارژ نبودند.

در سال ۱۸۵۹، یک فیزیکدان فرانسوی به نام گاستون پلانته، معضل یکبار مصرف را با توسعه اولین باتری سرب اسیدی حل کرد، که عموماً همان مفهومی است که برای بیشتر باتری های راه اندازی خودروهای امروزی استفاده می شود. در طراحی پلانته از یک آند (الکترود منفی) ساخته شده از سرب و یک کاتد (الکترود مثبت) ساخته شده از دی اکسید سرب استفاده شده است. او اولین باتری بود که از یک الکترولیت برای هر دو الکترود استفاده کرد. اما پیشرفت بزرگ او این واقعیت بود که طراحی او اجازه می داد باتری با معکوس کردن واکنش شیمیایی طبیعی دوباره شارژ شود. در حالی که طراحی او دارای کاستی هایی بود، مانند مدت زمان کوتاه تحویل انرژی، گام بزرگی در تکامل باتری بود و پیشروی روشن باتری های خودروهای امروزی است. در سال ۱۸۸۱، Camille Alphonse Faure، یک مهندس شیمی فرانسوی، با ایجاد ساختاری بهتر برای باتری، مفهوم پلانته را بهبود بخشید. برخلاف طرح مارپیچ پلانته، فوره یک شبکه شبکه سربی ایجاد کرد که در آن خمیر اکسید سرب فشرده می شد و صفحه ای را تشکیل می داد. این طراحی باعث می‌شود که چندین صفحه برای پتانسیل قدرت زیاد ترکیب شوند و تولید انبوه آن بسیار آسان‌تر بود.

باتری جزء ضروری در طراحی خودرو

اگرچه پیشرفت قابل توجهی در طراحی باتری از طرح‌های اولیه پلانته در سال ۱۸۵۹ تا اوایل قرن گذشته صورت گرفت، باتری‌های سرب اسیدی در سیستم‌های اولیه خودرو مورد استفاده قرار نگرفتند. این به این دلیل بود که اکثر آن وسایل نقلیه در حین کار نیازی به برق نداشتند و با استفاده از نوعی فرآیند مکانیکی مانند سیستم میل لنگ شروع به کار کردند. در نتیجه، نیاز مبرمی به توانایی ذخیره ظرفیت الکتریکی در آن وسایل نقلیه وجود نداشت.

استارت برقی توسعه ای بود که چشم انداز را تغییر داد و نیاز به ظرفیت الکتریکی ذخیره شده در خودرو را برانگیخت. اولین وسیله نقلیه مجهز به استارت برقی در ایالات متحده کادیلاک ۱۹۱۲ بود. خود راه انداز توسط هنری ام لیلند و چارلز کترینگ در کادیلاک ساخته شد که بعداً توسط جنرال موتورز خریداری شد. للند کترینگ را تحت فشار قرار داد تا جایگزینی برای سیستم های راه اندازی با میل لنگ طراحی کند، پس از اینکه مهندس کادیلاک دیگری به سرش برخورد کرد و در اثر برگشت موتور آن توسط میل استارت کشته شد.

در اواسط نوجوانی، مکانیسم‌های زیادی برای استارت توسط خودروها استفاده می‌شد، اما تا سال ۱۹۲۰، اکثر وسایل نقلیه جدید به استارت‌های برقی مجهز شدند. این تغییر به سرعت نیاز به منبع تغذیه قابل اعتماد در معماری خودرو را افزایش داد و باتری سرب اسیدی را به یک جزء ضروری در صنعت خودرو تبدیل کرد. در سال ۱۹۱۸، شرکت خودروسازی هادسون اولین شرکتی بود که از اندازه باتری استاندارد مطابق با مشخصات BCI (شورای بین‌المللی باتری) استفاده کرد. باتری BCI

در اواسط دهه ۱۹۲۰، مکانیزم‌های استارت زیادی توسط خودروها به کار گرفته می‌شد، اما تا سال ۱۹۲۰، اکثر وسایل نقلیه جدید به استارترهای الکتریکی مجهز شدند. این تغییر به سرعت نیاز به منبع تغذیه قابل اعتماد را در معماری خودرو افزایش داد و باتری سرب-اسید را به یک جزء ضروری در صنعت خودرو تبدیل کرد. در سال ۱۹۱۸، شرکت خودروسازی هادسون اولین شرکتی بود که از اندازه استاندارد باتری طبق مشخصات BCI (شورای بین‌المللی باتری) استفاده کرد. اندازه‌های گروه باتری BCI هنوز هم امروزه استفاده می‌شوند.

در این دوره و تا دهه ۱۹۵۰، باتری‌ها و سیستم‌های الکتریکی استارت خودرو، سیستم‌های ۶ ولتی بودند. یک تغییر عمده در دهه ۱۹۵۰ رخ داد، زیرا خودروهای بزرگتر و موتورهای بزرگتر به قدرت بیشتری که توسط باتری‌ها و سیستم‌های ۱۲ ولتی ارائه می‌شد، نیاز داشتند. ما پیشنهاد می‌کنیم که این آخرین تغییر عمده در طراحی سیستم باتری/خودرو قبل از پایان قرن بیستم بود.

با این حال، در این دوره پیشرفت‌هایی وجود داشت. یک گام بزرگ برای راحتی مالک خودرو، معرفی باتری Delco-Remy Freedom در سال ۱۹۷۱ بود، اولین باتری سرب اسیدی بدون نیاز به تعمیر و نگهداری که در کاربردهای خودرو استفاده می‌شد. دهه ۱۹۷۰ همچنین شاهد ظهور باتری‌های VRLA AGM بود، اگرچه این باتری‌ها تا سال‌های اخیر عمدتاً به کاربردهای تخصصی محدود می‌شدند.

عصر مدرن – باتری‌های AGM

همانطور که از تکامل موازی فناوری باتری و طراحی خودرو می‌توان مشاهده کرد، پیشرفت در یکی اغلب نیاز به فرصت تغییر در دیگری را ایجاد می‌کند. دوران مدرن نیز تفاوتی ندارد. با افزایش تقاضای برق خودرو در دهه‌های ۱۹۹۰ و ۲۰۰۰، که هم ناشی از افزایش امکانات داخل کابین و هم سیستم الکتریکی رو به رشد بود، مشخص بود که باتری سرب اسیدی سنتی از نظر برآورده کردن نیازهای سیستم به حد نهایی خود رسیده است. این امر نیاز به ساختارهای جدید و شیمی‌های جدید را برانگیخت.

باتری AGM

یکی از پاسخ‌های اصلی به نیازهای متغیر برق خودروهای امروزی، پذیرش باتری‌های AGM بوده است. باتری‌های AGM (Absorbed Glass Mat) از اواسط دهه ۱۹۸۰ در کاربردهای نظامی شروع به استفاده کردند. این باتری‌های سرب-اسید تنظیم‌شده با شیر (VRLA) مزایای زیادی برای طراحی سیستم خودرو دارند. اول، آنها معمولاً مقاومت داخلی بسیار کمتری نسبت به باتری‌های سنتی دارند، به این معنی که در چرخه شارژ/دشارژ معمولی کمتر گرم می‌شوند که این امر طول عمر را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، باتری‌های AGM می‌توانند عمیق‌تر از باتری‌های سنتی تخلیه شوند. این یک مزیت حیاتی است، زیرا افزایش تقاضای برق خودروهای مدرن به این معنی است که باتری باید در هنگام رسیدن خروجی دینام به حداکثر، بارهای اوج را برآورده کند. در نهایت، باتری‌های AGM، به دلیل ساختارشان، در مقایسه با باتری‌های سنتی، در برابر لرزش مقاوم‌تر هستند و به دلیل آب‌بندی و عدم نشت، می‌توانند در هر جهتی ذخیره و کار کنند.

یک تکامل عمده سیستم که باعث محبوبیت باتری‌های AGM می‌شود، پذیرش سیستم‌های موتور Start-Stop است که وقتی وسیله نقلیه کاملاً متوقف می‌شود، موتور را خاموش می‌کند و بلافاصله پس از برداشتن پای راننده از روی ترمز، دوباره آن را روشن می‌کند. این سیستم‌ها که تولیدکنندگان را قادر به بهبود بهره‌وری سوخت می‌کنند، معمولاً با استفاده از یک یا چند باتری AGM به کار گرفته می‌شوند. باتری‌های موجود در چنین سیستم‌هایی می‌توانند باتری‌های استاندارد AGM، باتری‌های مخصوص Start-Stop AGM یا ترکیبی از این دو باشند. انتظار می‌رود انواع دیگری از باتری در مدل‌های آینده در این سیستم‌ها گنجانده شوند، اما در حال حاضر، باتری‌های AGM ساختار غالب مورد استفاده هستند.

لیتیوم، هیبریدها و خودروهای برقی

چندین تولیدکننده خودروهای برقی شروع به گنجاندن باتری‌های لیتیومی در طرح‌های سنتی به عنوان باتری‌های استارت (پورشه مثال خوبی است) و همچنین اجزای سیستم‌های استارت-استاپ کرده‌اند. ترکیبات شیمیایی باتری لیتیومی بسیار متراکم از نظر انرژی هستند و مقادیر زیادی نیرو (چه قدرت استارت و چه قدرت ذخیره) را در یک بسته کوچک و سبک ارائه می‌دهند. ترکیب شیمیایی غالب لیتیوم باتری استارت، LiFePO4 (فسفات آهن لیتیوم) است. این ترکیب شیمیایی چگالی توان بالایی را بدون نوسانات سایر ترکیبات شیمیایی لیتیوم ارائه می‌دهد و آن را به یک باتری جایگزین مناسب برای بسیاری از کاربردها یا وسایل نقلیه‌ای که باتری‌های سرب-اسید در آنها نصب شده‌اند، تبدیل می‌کند.

توسعه خودروهای هیبریدی، هیبریدی‌های پلاگین و خودروهای برقی، تقاضا برای قدرت باتری بسیار بیشتر را ایجاد کرد، اما وزن محلول‌های سرب-اسید، آنها را برای این کاربردها غیرعملی می‌کرد. برای رفع چالش قدرت/وزن، خودروهای هیبریدی اولیه عمدتاً از باتری‌های NiMH (هیدرید نیکل-فلز) برای حل این مشکل استفاده می‌کردند. به عنوان مثال، تویوتا پریوس ۲۰۱۰ یک بسته باتری NiMH با ظرفیت ۱.۳۱ کیلووات ساعت را در خود جای داده بود.

تاریخچه تولید باتری ماشین در ایران

در مورد تاریخچه کلی باتری سازی در ایران و صنعت خودروسازی، می‌توان به نکات زیر اشاره کرد:

نکات کلی در مورد تاریخچه باتری سازی در ایران:

• قدمت: صنعت باتری سازی در ایران قدمتی بیش از ۵۰ سال دارد.
• نخستین تولید کننده: کارخانه باتری سازی نیرو (نور) به عنوان اولین تولید کننده باتری خودرو در ایران شناخته می‌شود. این شرکت با اهداف نظامی فعالیت خود را آغاز کرد و سپس به تامین نیاز بازار داخلی پرداخت. باتری سازی نیرو هم اکنون با اسم صبا باتری در بین مردم شناخته شده است.
• تک قطبی بودن بازار: برای سال‌ها، شرکت باتری سازی نیرو (و بعدها صبا باتری) تنها تامین کننده اصلی باتری در ایران بود.
• ورود فناوری‌های جدید: در ابتدا، تولید باتری‌ها فقط به صورت سرب اسیدی بود. اما به تدریج، فناوری باتری‌های MF (اتمی) نیز وارد ایران شد و شرکت‌های متعددی به تولید باتری‌های کلسیمی و لیتیومی روی آوردند.
• توسعه صنعت: صنعت باتری سازی در ایران، برخلاف صنعت خودروسازی، پیشرفت خوبی داشته و توانسته است بخش قابل توجهی از نیاز داخلی را تامین کند.
• مراکز تولید: صنایع باتری سازی ایران بیشتر در مناطق تهران، اصفهان، خراسان و آذربایجان متمرکز شده‌اند. در اصفهان علاوه برای سپاهان باتری، شرکت برنا باتری نیز اقدام به تولید باتری ماشین در سطح وسیع می کند که برند برنا و گلوبال این شرکت معروف می باشد. همچنین برنا باتری در بورس ایران نیز پذیرفته شده است و سهام آن خرید و فروش می شود.

ارتباط با صنعت خودروسازی:

• با توسعه صنعت خودروسازی در ایران، نیاز به تولید باتری خودرو نیز افزایش یافت.
• برخی شرکت‌های باتری سازی ایرانی، مانند صبا باتری و سپاهان باتری، به تامین کنندگان اصلی باتری برای خودروسازان داخلی (ایران خودرو، سایپا و غیره) تبدیل شده‌اند.
• همکاری‌های مشترک نیز بین خودروسازان و باتری سازان برای تولید باتری‌های مورد نیاز خودروهای خاص (مانند پروژه تندر ۹۰ با همکاری سپاهان باتری) صورت گرفته است.
• همچنین کارخانه های خوب دیگر مثل دورنا باتری و وایا باتری نیز در سالیان اخیر پا به عرصه تولید باتری خودرو گذاشته اند که در بعضی از اوقات اقدام به تولید و عرضه مشترک با شرکت های امداد باتری می کنند. به طور مثل باتری برند کیان پاور که کیفیت و گارانتی بیشتر توسط وایا باتری تولید می شود توسط کیان باتری به بازار عرضه می شود و صاحب امتیاز این برند شناخته می شود.

نتیجه گیری:

اگرچه تاریخچه دقیقی از زمان آغاز تولید باتری خودرو به طور مشخص در دسترس نیست، اما می‌توان گفت که با توسعه صنعت خودروسازی در ایران، صنعت باتری سازی نیز به تدریج شکل گرفته و رشد کرده است. شرکت باتری سازی نیرو به عنوان اولین تولید کننده باتری خودرو در ایران نقش مهمی در این زمینه داشته است و پس از آن شرکت‌های دیگری مانند صبا باتری و سپاهان باتری نیز به بازیگران اصلی این صنعت تبدیل شده‌اند. امروزه، صنعت باتری سازی در ایران از پویایی نسبی برخوردار است و تلاش برای تولید باتری‌های با کیفیت و مطابق با استانداردهای روز دنیا در جریان است.