چینی‌ها و به‌ویژه شرکت CATL دوباره بحث‌های فنی دربارهٔ باتری‌های لیتیوم-هوايی را زنده کرده‌اند؛ فناوری‌ای که بعضی محافل آن را قادر به رساندن خودروهای برقی به بردهای نظری تا ۲۰۰۰ کیلومتر معرفی می‌کنند، اما آیا این ادعاها در شرایط واقعی رانندگی قابل تحقق است؟
اصل و پویش واکنش در باتری‌های لیتیوم-هوايی
مفهوم اساسی در باتری‌های لیتیوم-هوايی تفاوت بنیادین با سلول‌های متداول لیتیوم-یون دارد: به‌جای ذخیرهٔ مادهٔ اکساینده در کاتد، اکسیژن از محیط بیرون وارد واکنش می‌شود. الکترود منفی از لیتیم فلزی تشکیل شده و در دشارژ، لیتیم با اکسیژن ترکیب شده و ترکیباتی مانند اکسید یا پراکسید لیتیم (مثلاً Li2O2 یا Li2O) در یک کاتد متخلخل شکل می‌گیرند. هنگام شارژ، این واکنش معکوس می‌شود و اکسیژن آزاد شده و یون‌های لیتیم به آند بازمی‌گردند.
به‌خاطر بهره‌گیری از اکسیژن محیطی به‌عنوان واکنش‌دهندهٔ مثبت، محاسبات الکتروشیمیایی معیارهای خاصی از انرژی ویژهٔ نظری بسیار بالاتر را نشان می‌دهند؛ عددی که اغلب به‌صورت 3,505 وات‌ساعت بر کیلوگرم نقل می‌شود. باید توجه کرد که این رقم براساس واکنش تشکیل لیتیم-پراکسید و با لحاظ جرم اکسیژن است. برخی محاسبات مرزی دیگر، با حذف جرم اکسیژن، اعداد بسیار بالاتری تا نزدیک به 12,000 وات‌ساعت بر کیلوگرم ارائه می‌دهند، اما هیچ‌یک مستقیماً بیانگر چگالی انرژی یک بستهٔ باتری خودرویی کامل نیست.
پیشرفت‌های آزمایشگاهی؛ فاصلهٔ زیاد تا پک خودرویی
تاریخچهٔ علاقه به باتری‌های فلز-هوا مختصر نیست؛ پروژهٔ IBM با عنوان Battery 500 که از سال 2009 آغاز شد، هدفی کاملاً بلندپروازانه داشت: سلولی که بتواند یک خودروی الکتریکی را تا 500 مایل (معادل حدود 805 کیلومتر) با یک شارژ هدایت کند. برنامهٔ بین‌المللی و مشارکت‌های دانشگاهی داشت اما به محصول تجاری برای خودرو منتهی نشد.
در سال‌های اخیر، پژوهشگران نقاط ضعف شیمیایی این فناوری را هدف قرار داده‌اند؛ از جمله تجمع محصولات دشارژ داخل کاتدهای متخلخل که مانع عبور اکسیژن می‌شوند. پژوهشی در سال 2025 از دانشگاه علم و فناوری چین به‌همراه پروفسور پنگ تان نشان داد که خواص انتقال اکسیژن در الکترولیت می‌تواند مکانیزم‌های واکنشی را تغییر دهد و 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 مهندسی شدهٔ مناسبی برای جلوگیری از انسداد کاتد در محیط خودرویی ارائه نکرد.
نمونهٔ دیگری در 2024 توسط پژوهشگرانی مرتبط با دانشگاه جی‌لین و آکادمی علوم چین در مجله Advanced Energy Materials منتشر شد؛ تیمی که یک سلول پاکتی بهینهٔ لیتیوم-هوا با الکترولیت پلیمری ژله‌ای درجا ساخت و در شرایط آزمایشگاهی مقدار 757.5 وات‌ساعت بر کیلوگرم را گزارش کرد و تحت شرایط آزمایش 500 mA/g و 1,000 mAh/g توانست 241 سیکل را نشان دهد. این نتیجه در سطح سلول آزمایشگاهی حائز اهمیت است اما نشان‌دهندهٔ رتبهٔ عملکرد یک پک باتری قابل استفاده در خودرو نیست.
در همان حوزه، محققان مؤسسه فناوری ایلینوی و آزمایشگاه ملی آرگونا در مقاله‌ای در Science سال 2023 معماری حالت‌جامدی برای لیتیوم-هوا ارائه کردند که به‌جای مسیر دو الکترونی سنتی به‌سمت یک واکنش چهار الکترونی می‌رفت و اکسید لیتیم (Li2O) را تشکیل می‌داد. این ساختار حداقل 1,000 سیکل شارژ-دشارژ در دمای اتاق را ثبت کرد و پتانسیل نظری چگالی انرژی را در حدود 1,200 وات‌ساعت بر کیلوگرم برآورد نمود؛ رقمی نظری که باز هم با معیارهای بستهٔ خودرویی برابر نیست.
سه مانع مهندسی برای کاربرد در خودروهای سواری
با وجود پیشرفت‌های آزمایشگاهی، سه چالش عملی مهم وجود دارد که باید برطرف شوند. نخست، مدیریت هوا. باتری باید اکسیژن دریافت کند اما در عین حال از ورود رطوبت و دی‌اکسیدکربن جلوگیری نماید، زیرا این ناخالصی‌ها می‌توانند به واکنش‌های نامطلوب منجر شده و آند لیتیمی، الکترولیت و کاتد را تخریب کنند. رطوبت می‌تواند با لیتیم فلزی واکنش دهد و CO2 می‌تواند کربنات لیتیم (Li2CO3) تشکیل دهد. تجمع رسوبات در کاتد متخلخل مانع انتقال اکسیژن شده و ظرفیت مفید را پایین می‌آورد.
برای این منظور سیستم خودرویی باید دارای ورودی هوای کنترل‌شده، فیلترها و مدیریت رطوبت باشد و حتی ممکن است به تجهیزات جانبی گازپردازی نیاز داشته باشد. تمام این سامانه‌ها وزن و حجم افزایشی دارند و خود مصرف‌کنندهٔ انرژی خواهند بود؛ مطالعه‌ای در Journal of Energy Storage در 2023 پیشنهاد روش‌هایی برای سیستم‌های مکانیکی تعادل تجهیزات جانبی ارایه کرد و در پیکربندی خود تخمین زد که تجهیزات جانبی حدود 5.4% از توان باتری را مصرف خواهند کرد؛ عددی که 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 و در این مسیر گونه‌های اکسیژن واکنشی تولید می‌شوند که به الکترولیت و سایر اجزای سلول حمله می‌کنند. واکنش‌های جانبی منجر به افت ظرفیت و عمر چرخه می‌شوند. آندهای لیتیم فلزی نیز در طی ساخت و حل لیتیم در سیکل‌های مکرر پایدار نیستند و رشد دنریت‌ها یا ناهمگنی لایهٔ لیتیم مشکلاتی ایجاد می‌کند. بنابراین چگالی انرژی اولیهٔ 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 (وات‌ساعت بر کیلوگرم)، چگالی حجمی (وات‌ساعت بر لیتر) و چگالی توان (توان تحویلی در واحد جرم یا حجم). سلولی که انرژی ویژهٔ زیادی دارد اما توان خروجی یا چگالی حجمی پایینی ارائه کند، الزاماً برای یک سکوی خودرویی مناسب نیست؛ باید توان‌های اوج برای شتاب، سبقت‌گیری و حفظ سرعت را فراهم کند و در فضای محفظهٔ باتری جای گیرد. تعویض پک‌ها هم نمی‌تواند مسائلی مانند تجزیهٔ شیمیایی، بازسازی الکترولیت آسیب‌دیده یا پاک‌سازی رسوبات داخل الکترودها را حل کند.
تحقیقات حالت جامد، ترکیب‌ها و جهت‌گیری CATL
باتری‌های لیتیوم-هوا لزوماً رقیب مستقیم باتری‌های حالت‌جامد نیستند؛ پژوهشگران ترکیب‌هایی را بررسی می‌کنند که از الکترولیت‌های جامد در معماری لیتیوم-هوا استفاده کنند تا آند لیتیم محافظت شده و واکنش‌های الکتروشیمیایی تثبیت گردد. کار آرگونا و ایلینوی نشان می‌دهد که استفاده از الکترولیت‌های مرکب جامد-پلیمری، شامل نانوذرات حاوی لیتیم در ماتریس پلیمری، یکی از رویکردهاست. این نتایج نشان می‌دهد که الزام به سرامیک‌هایی مثل LLZO (گروهی از گارنِت‌ها) به‌عنوان یک پیش‌نیاز کلی لیتیوم-هوا قابل تعمیم نیست، اما ترکیب حالت‌جامد با معماری لیتیوم-هوا می‌تواند مسیر جدیدی باز کند.
در نقشهٔ 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 و لیتیوم-هوا را به‌عنوان یک جهت‌گیری بلندمدت تحقیقاتی معرفی کرده است. دانشمند ارشد این شرکت، وو کای، در نشست Equipment Powerhouse Forum سال 2026 به لیتیوم-هوا به‌عنوان ذخیره‌ای برای تحقیقات آتی اشاره کرده است، اما هیچ برنامهٔ زمانی تجاری یا هدف تولیدی اعلام‌شده‌ای مبنی‌بر ساخت خودرویی با برد 2,000 کیلومتر توسط CATL منتشر نشده است.
کاربردهای جایگزین و تحلیل بازاری
اگرچه تبدیل پتانسیل الکتروشیمیایی به یک باتری خودروییِ بادوام، قابل شارژ و عملی کار دشواری است، برخی حوزه‌ها ممکن است در آینده به‌عنوان اولین مشتریان این نوع سلول‌ها مطرح شوند. به‌عنوان مثال، هواپیماهای بدون سرنشین با برد بلند و ارتفاع زیاد (HALE: high-altitude long-endurance UAVs) که نیازمند نسبت انرژی به وزن بسیار بالا هستند، گاهی نامزدهای بالقوهٔ باتری‌های با انرژی ویژهٔ بالا معرفی می‌شوند. اما باید تأکید کرد که این فرصت‌های کاربردی با برنامهٔ تاییدشده و عملیِ شرکت‌هایی مثل CATL اشتباه نشوند؛ در حال حاضر ادعاهای برد 2,000 کیلومتر بیشتر در حوزهٔ 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 و چالش‌های مهندسی عملی کمتری در مقیاس بستهٔ خودرویی دارند. سرمایه‌گذاری بلندمدت در لیتیوم-هوا می‌تواند در صورت عبور از موانع، انقلابی در محدودهٔ عملی رانندگی ایجاد کند، اما در وضعیت فعلی ریسک فنی و تجاری بالاست و نیاز به پیشرفت هم‌زمان در مواد، الکترولیت‌ها، سامانه‌های مدیریت هوا و بسته‌بندی دارد.
جمع‌بندی فنی: از عددهای نظری تا واقعیت‌های مهندسی
اعداد نظری مثل 3,505 وات‌ساعت بر کیلوگرم یا حتی برآوردهای بالاتر نزدیک به 12,000 وات‌ساعت بر کیلوگرم تصویر جذابی می‌سازند، اما این مقادیر مرزی بر پایهٔ واکنش‌های الکتروشیمیایی و در برخی حالات حذف جرم اکسیژن محاسبه شده‌اند و به‌هیچ‌وجه برابر با چگالی انرژی یک پک خودرویی کامل نیستند. هزینه‌های اضافی از جمله الکترولیت‌ها، الکترودها، قطعات محافظتی و تجهیزات مدیریت هوا هم به وزن و حجم نهایی اضافه می‌شوند و کارآیی دور-به-دور انرژی را کاهش می‌دهند.
در عمل، پیشرفت‌هایی که در آزمایشگاه‌ها دیده‌ایم —مانند دستاورد 757.5 وات‌ساعت بر کیلوگرم یا معماری‌های حالت‌جامد چهار الکترونی با 1,000 سیکل آزمایشی— نشانه‌های امیدبخش تحقیق و توسعه‌اند، اما هنوز فاصلهٔ بزرگ میان نتایج سلولی آزمایشگاهی و بستهٔ باتری‌ای که در یک خودرو هزاران بار شارژ و دشارژ شود، برقرار است. بنابراین، تا زمان برطرف شدن مسائل مرتبط با مدیریت هوا، بازده شارژ، پایداری آند لیتیمی، و یکپارچه‌سازی سامانه‌ای، ادعاهای برد 2,000 کیلومتری باید به‌عنوان احتمالی نظری و نه واقعیتی تجاری تلقی شوند.
در نهایت، مسیر تبدیل پتانسیل الکتروشیمیایی لیتیوم-هوا به یک راهکار عملی برای خودروسازی، مسیری طولانی و پرهزینه است که 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.
نکتهٔ پایانی اینکه ادعاهای پرتوقع دربارهٔ بردهای بسیار بالا اغلب به محاسبات نظری اتکا دارند؛ آنچه صنعت خودرو و مصرف‌کننده می‌خواهند، بسته‌های باتری مقاوم، قابل شارژ سریع، ایمن و با هزینهٔ منطقی است — و این اهداف تا تحقق کامل لیتیوم-هوا هنوز فاصلهٔ技 زیادی دارند.
