EN
لینکهای سریع
رعایت استانداردهای بینالمللی ایمنی، بهویژه استاندارد UL 2580 سال 2023 برای باتریهای خودروهای الکتریکی (EV)، در کاهش ریسکها بسیار مهم است. این استانداردها الزامات آزمونهای سختگیرانه متعددی را بر روی باتریها در شرایط سخت اعمال میکنند. این آزمونها شامل بررسی مقاومت سلولها در برابر حرارت، آسیب فیزیکی و تنشهای الکتریکی هستند. تولیدکنندگان برتر باتری، سیستمهای حفاظتی چندلایهای توسعه دادهاند. برخی از آنها از جداکنندههایی با پوشش مواد سرامیکی استفاده میکنند تا از رشد دندریتهای مزاحم جلوگیری کنند. دیگران الکترولیتهای خاصی به کار میبرند که در برابر اشتعال مقاوم هستند و به کنترل افزایش دمای خطرناک کمک میکنند. این نوع ویژگیهای ایمنی اصلاً اختیاری نیستند، زیرا خرابی باتری میتواند بهواقع افراد را در معرض خطر قرار دهد یا مشکلات بزرگی برای خدمات ضروری مانند شبکههای برق و حملونقل ایجاد کند.
امروزه مدیریت کیفیت تنها به معنای اخذ گواهینامه ISO 9001 نیست. تولیدکنندگان برتر در عمل کنترل آماری فرآیند را در تمامی مراحل عملیات خود ادغام میکنند و این امر از پوشش الکترودها تا مونتاژ سلول و چرخههای تشکیل ادامه دارد. نظارت بر سطح رطوبت در حد کمتر از ۱۰ قسمت در میلیون و همچنین توجه به ذرات موجود در اتاقهای خشک، از بروز مشکلات پنهان پیش از آن جلوگیری میکند که بر قابلیت اطمینان محصول در آینده تأثیر بگذارد. تحقیقات اخیر سال ۲۰۲۳ نیز یافته جالبی را نشان داد. تأمینکنندگان سطح بالا که بهطور کامل به بازرسی نوری خودکار (AOI) مهاجرت کردهاند، شاهد کاهش تقریباً دو سومی خرابیهای میدانی خود نسبت به شرکتهایی بودهاند که هنوز به بازرسیهای نمونهبرداری تصادفی متکی هستند. این موضوع نشان میدهد که چرا در حال حاضر رویکردهای مبتنی بر داده اهمیت بسیار زیادی دارند. زمانی که شرکتها هر مرحله از مواد اولیه تا بستههای باتری نهایی را ردیابی میکنند، شناسایی منبع مشکلات در حین بازرسیها بسیار سریعتر و آسانتر میشود.
امروزه سیستمهای مدرن یادگیری ماشین، حجم عظیمی از دادههای عملیاتی از جمله نوسانات ولتاژ، تغییرات دما در سراسر قطعات و خواندنهای دقیق امپدانس را پردازش میکنند تا زمانی که تجهیزات شروع به خرابی میکنند پیشبینی کنند. بر اساس تحقیقات اخیر منتشر شده در مجله منابع انرژی در سال گذشته، این مدلها قادر به تشخیص مشکلات با دقت حدود ۹۲ درصد هستند. آنچه واقعاً چشمگیر است این است که این سیستمها چند هفته قبل از وقوع مشکل، علائم اولیه را شناسایی میکنند — چیزی که هیچ بازرس انسانی تا زمان دیر بسیار دیر متوجه آن نمیشود. هنگامی که این نوع بینش پیشبینانه با فناوری دوقلوی دیجیتال برای شبیهسازی ترکیب میشود، به تیمهای مهندسی اجازه میدهد تا نقصهای طراحی را قبل از تبدیل شدن به مشکلات بزرگ، رفع کنند. تولیدکنندگان گزارش دادهاند که در برخی محیطهای صنعتی پس از اجرای این راهکارهای هوشمند نظارتی، تقریباً نیمی از ادعاهای ضمانت کاهش یافته است.
قرار دادن اعتماد بیش از حد به یک منطقه برای مواد معدنی حیاتی، مشکلات جدی در زنجیره تأمین ایجاد میکند. کبالت را به عنوان یک نمونه در نظر بگیرید؛ حدود ۷۰ درصد از کل کبالت جهان از جمهوری دموکراتیک کنگو، یا به اختصار DRC، تأمین میشود. اما شرایط سیاسی آنجا دقیقاً پایدار نیست، که این امر باعث اختلالات مداوم در خروج این ماده و نوسان شدید قیمتها به سمت بالا و پایین میشود. وقتی شرکتها به شدت به این منابع متمرکز وابسته هستند، در معرض خطر توقف فعالیت، مشکلات قانونی و آسیب به تصویر برند خود قرار میگیرند. به همین دلیل تنوع بخشیدن به تأمین مواد معدنی از محلهای مختلف، ضروری مطلقی است اگر تولیدکنندگان بخواهند به طور پیوسته فعالیت کنند و در برابر تغییرات بازار انعطافپذیر بمانند.
تولیدکنندگان برجسته به طور فزایندهای در حال استفاده از فناوری بلاکچین برای ردیابی مواد معدنی از معادن تا کارخانهها هستند، که به مقابله با مسائل جدی مانند کار کودکان در عملیاتهای کوچکمقیاس معدنکاری و آسیبهای زیستمحیطی ناشی از روشهای حفاری ضعیفالنظم کمک میکند. بازرسیهای مستقل از طریق برنامههایی مانند ابتکار مواد معدنی مسئول، اطمینان حاصل میکنند که این فرآیندها مطابق با استانداردهای جهانی در خصوص حقوق کارگران و حفاظت از محیط زیست انجام شوند. با افزایش نگرانی سرمایهگذاران درباره اخلاقیات سبد سرمایهگذاریهایشان و تقاضای مشتریان برای ارائه مدرکی از اقدام واقعی شرکتها در مواجهه با تعهدات پایداری، مستندسازی شفاف در طول زنجیره تأمین باتری برای حفظ رقابتپذیری در بازار امروز ضروری شده است.
بسیاری از سازندگان تجهیزات اصلی پیشرو اکنون بهصورت مستقیم با عملیاتهای معدنی معتبر در سراسر کانادا، استرالیا و برخی مناطق از مراکش همکاری میکنند تا وابستگی خود به مناطق سیاسی ناپایدار برای تأمین مواد اولیه را کاهش دهند. گروههایی مانند اتحادیه کبالت منصفانه زمانی نتایج واقعی ارائه میدهند که شرکتها با هم متحد شده و بهصورت مستقیم به حل مشکلات بپردازند و محیطهای کاری ایمنتر و اکوسیستمهای محلی در مناطق استخراج مواد معدنی را محافظت کنند. در همین حال، سرمایهگذاری در سیستمهای بازیافت که میتوانند حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد از فلزات ارزشمنه موجود در باتریهای استفادهشده از جمله کبالت، نیکل و لیتیوم را بازیابی کنند، رو به افزایش است. این امر نه تنها نیاز به معدنکاری جدید را کاهش میدهد، بلکه به سازندگان کمک میکند تا در برابر تغییرات مقرراتی که در راه است، از جمله مقررات جدید پیشنهادی اتحادیه اروپا در مورد استانداردهای تولید باتری، پیشدست باشند.
در سراسر جهان، دولتها با تبدیل قوانین اقتصاد چرخشی به قوانین الزامآور، فشار بیشتری برای اجرای آن وارد میکنند. قوانین مسئولیت گسترده تولیدکننده (EPR) اساساً شرکتها را ملزم میکند تا نسبت به جمعآوری باتریهای فرسوده، دستهبندی صحیح آنها و اطمینان از بازیافت آنها اقدام کنند. برخی مناطق اهداف بلندپروازانهای نیز تعیین کردهاند و میخواهند نرخ بازیابی تا ۹۰ درصد برای باتریهای لیتیوم-یونی که امروزه به شدت به آنها وابسته هستیم، دست یابند. اگر شرکتها از این مقررات پیروی نکنند، با پیامدهای جدی مواجه خواهند شد. طبق دستورالعمل جدید اتحادیه اروپا در سال ۲۰۲۳، جریمهها میتواند به بیش از ۴۰ هزار یورو برای هر بار نقض قانون برسد. این واقعاً به چه معناست؟ خوب، این نوع سیاستها به کاهش نیاز به استخراج مواد اولیه از معادن کمک میکند. کاهش استخراج به معنای تخریب زیستبومهای کمتر، آلودگی کمتر منابع آبی و در کل مصرف انرژی کمتر در فرآیندهای استخراج است.
مقررات باتری اتحادیه اروپا از سال 2023 استانداردهای سختگیرانهای در زمینه پایداری تعیین میکند که تولیدکنندگان باید به آنها پایبند باشند، از جمله گزارشدهی اجباری ردپای کربن و اهداف مشخصی برای محتوای بازیافتشده. تا سال 2030، باتریها باید حداقل دارای 12٪ کبالت بازیافتی و 4٪ لیتیوم بازیافتی باشند. این قوانین بر هر باتری که در بازار اتحادیه اروپا فروخته میشود اعمال میشوند، بدین معنا که شرکتهای خارج از اروپا مجبور شدهاند روشهای تأمین مواد، مدیریت کارخانهها و نگهداری سوابق خود را به طور کامل بازنگری کنند. بر اساس تحقیقات مؤسسه پونمون، بیشتر تأمینکنندگان با هزینههای انطباقپذیری در حدود 740,000 دلار آمریکا در هر مورد مواجه هستند. با نزدیک شدن به موعد مقرر سال 2027 برای ممنوعیت واردات باتریهای فاقد انطباق، شاهد تغییرات عمدهای در نحوه طراحی محصولات در سطح جهانی هستیم. گذرنامههای دیجیتالی محصول، که تمام مراحل از مواد اولیه تا دفع در پایان عمر را ردیابی میکنند، امروزه به بخشی ضروری در هر برنامه جدی توسعه باتری تبدیل شدهاند.
آخرین پیشرفتها در فناوری بازیافت، گامهای بزرگی در جهت بهبود همزمان کارایی و صرفه اقتصادی برداشتهاند. به عنوان مثال، بازیافت مستقیم کاتد تقریباً ۹۵ درصد از مواد را بدون تغییر نگه میدارد، در حالی که روشهای متالورژیکی معمولی این میزان را حفظ نمیکنند. در همین حال، رویکردهای هیدرومتالورژیکی قادر به استخراج لیتیوم با خلوص تقریباً کامل (حدود ۹۹ درصد) از طریق واکنشهای شیمیایی مبتنی بر آب هستند که بسیار کارآمدند. همچنین روند رو به رشدی وجود دارد که در آن باتریهای قدیمی خودروهای الکتریکی (EV) دوباره به عنوان راهحلهای ذخیرهسازی برای شبکههای برق استفاده میشوند و این امر عملاً عمر مفید آنها را دو برابر کرده و بین ۸ تا حدود ۱۲ سال دیگر قبل از نیاز به بازیافت مناسب افزایش میدهد. و البته نباید از سیستمهای خودکار تجزیهکننده نیز غافل شد که سالانه بیش از ۱۰۰ هزار واحد را پردازش میکنند. این بهبودها همچنین به طور قابل توجهی در کاهش ردپای کربنی مؤثرند و میزان آن را در مقایسه با تولید تمامی مواد از صفر و ابتدا تقریباً به نصف کاهش میدهند.
برای افزایش تولید باتری به منظور پاسخگویی به رشد سالانه مورد انتظار ۳۵ درصدی تا سال ۲۰۲۵، نیاز به توجه به جزئیات در تمام سطوح وجود دارد. به چیزهایی فکر کنید مثل تنظیم دقیق پوشش الکترودها در سطح نانومتر، یا اطمینان از پر شدن الکترولیت در محدوده تنگ میکرونی. هنگامی که حجم تولید افزایش مییابد، اگر نقصهای خیلی کوچک در مرحله اولیه شناسایی نشوند، احتمال بروز مشکلات حرارتی نیز بیشتر میشود. بهترین تولیدکنندگان موجود از سیستمهای پیشرفته SPC استفاده میکنند که بیش از ۲۰۰ پارامتر مختلف را برای هر سلول جداگانه نظارت میکنند و این امر به آنها کمک میکند تا نرخ نقص را کمتر از ۰٫۵ قطعه در میلیون نگه دارند. و جالب اینجاست که فناوری بینایی مبتنی بر هوش مصنوعی شروع به تشخیص مشکلات بسیار کوچک جداکنندهها کرده است که بازرسان معمولی فقط با چشم خود قادر به دیدن آنها نیستند. این بدین معناست که باتریها در مجموع ایمنتر خواهند بود، در حالی که سرعت تولید نیز در سطح مورد نیاز حفظ میشود.
سیستمهای اتوماسیون همراه با فناوری دیجیتال ترین (Digital Twin) در حال تغییر نحوه عملکرد روزانه کارخانههای گیگا است. این مدلهای مجازی میتوانند شبیهسازی فرآیندهای خط تولید مانند اعمال الکترولیت و الگوهای توزیع حرارت را با سرعتی حدود ده هزار برابر سریعتر از آزمایش واقعی انجام دهند که طبق گزارشهای صنعتی، زمان اعتبارسنجی را تقریباً هفتاد درصد کاهش میدهد. رباتها با دقت بسیار بالا لایههای الکترود را روی هم قرار میدهند، هرچند اندازهگیریهای دقیق بسته به مشخصات تجهیزات متفاوت است. در همین حال، سنسورهای هوشمند شرایط داخل اتاقهای خشککن را در طول شیفتها پیگیری میکنند. هنگامی که سختافزار با راهحلهای نرمافزاری مانند این ترکیب میشود، به کاهش اشتباهات انجامشده در مراحل ظریف تولید کمک میکند. علاوه بر این، کارخانهها هشدار اولیه درباره خرابیهای احتمالی قبل از وقوع آنها دریافت میکنند و این امر در عملیات بزرگمقیاس، حدود سی درصد از زمان توقفهای غیرمنتظره را صرفهجویی میکند، همانطور که در مطالعات اخیر موردی از تولیدکنندگان باتری مشاهده شده است.
رساندن سریعتر محصولات به بازار به معنای داشتن عملیات لجستیکی است که مانند چرخدندههای یک ساعت دقیق با هم هماهنگ کار میکنند، بهویژه هنگامی که مواد محدودی در سطح جهانی درگیر هستند. رویکرد «در توالی دقیق» تضمین میکند که قطعات دقیقاً در زمان مورد نیاز در فرآیند مونتاژ وارد شوند، که این امر میتواند حدود ۱۸ درصد از سرمایهای را آزاد کند که در غیر این صورت در موجودی انبار گرفتار شده بود. از نظر بستهبندی، طراحیهای ماژولار مانند پیکربندی استاندارد سلول-به-بسته (cell-to-pack)، بهطور تقریبی ۲۲ درصد از فضای هدر رفته در حین حملونقل را کاهش میدهند و علاوه بر این، مؤلفههای ظریف را در برابر ضربهها بهتر محافظت میکنند. استفاده از فناوری بلاکچین به شرکتها امکان میدهد تا بینشی در بیش از ۱۵ نقطه از زنجیره تأمین خود داشته باشند. این امر به آنها اجازه میدهد تا تمام مراحل را از مواد اولیه تا مونتاژ محصول نهایی ردیابی کنند. حتی با وجود مشکلات غیرقابل پیشبینی حملونقل، این شفافیت به حفظ تحویل به موقع در حدود ۹۸ درصد در اکثر مواقع کمک میکند.