ذخیره‌سازی انرژی؛ چالشی بزرگ اما شیرین
امروزه باتری‌ها در طیف وسیعی از دستگاه‌های مختلف، از جمله تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها و حتی اتومبیل‌ها بکار گرفته می‌شوند. کافی است نگاهی به دور و بر خود بیندازید؛ تقریباً تمامی خانه‌ها، محیط‌های کاری و اماکن عمومی، از انواع دستگاه‌ها و تجهیزات الکترونیکی بزرگ و کوچک پر شده که تمامی آن‌ها، نیازمند باتری می‌باشند. باتری‌ها آن‌قدر زیاد شده‌اند که همچون جزئی نامرئی از دستگاه‌های مختلف تلقی می‌شوند. نکته کلیدی و بسیار مهم این است که با وجود گستردگی استفاده از باتری‌ها و سهولت دستیابی به آن‌ها در فروشگاه‌های مختلف، شواهد حاکی از آینده‌ای به شدت هیجان‌انگیز در خصوص نوآوری‌های این حوزه است.
مطابق با سناریوی توسعه پایدار آژانس بین‌المللی انرژی، تا سال ۲۰۴۰ میلادی، سالیانه نیاز به باتری‌هایی با قابلیت نزدیک به ۱۰ هزار گیگاوات ساعت می‌باشد. این در حالی است که امروزه، در حدود ۲۰۰ گیگاوات ساعت از آن نیاز است. این امر، از دو جنبه قابل بررسی است:
- تقاضای گسترده و فوری که می‌تواند فرصتی بزرگ برای توسعه نوآوری‌های جدید باشد؛
- نیاز جدی به پیشرفت‌های فنی به‌منظور یافتن راهکارهای جدید برای ذخیره‌سازی انرژی در مقادیر زیاد و با هزینه مقرون‌به‌صرفه.
روند تحقیقات و سرمایه‌گذاری‌ها، نشان می‌دهد که مبتکران و فناوران مختلف، تلاش قابل توجهی برای شناسایی ابزارهای مناسب ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی و دستیابی به نوعی توازن مقرون‌به‌صرفه در سمت عرضه و تقاضا دارند. شاید از منظر تئوریک، ذخیره‌سازی انرژی برای حوزه‌های مختلف، اعم از دستگاه‌های الکترونیک قابل‌حمل، وسایط نقلیه مختلف به‌ویژه کامیون‌ها و هواپیماها امکان‌پذیر باشد، اما بحث هزینه و برخی چالش‌های فنی، موجب گردیده تا باز هم نیاز به نوآوری‌های جدید احساس شود. البته ظهور برخی فناوری‌های نوظهور و ارزان شدن سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، توجه صنایع مختلف را جلب نموده و فرصت‌هایی برای ادغام مقادیر بیشتر انرژی تجدیدپذیر در سیستم انرژی مصرفی بشر و جایگزینی سوخت‌های فسیلی پدید آورده است.
این روند که متشکل از تقاضای وسیع، چالش‌های فنی متعدد، ظهور فناوری‌های جدید و جلب توجه برای سرمایه‌گذاری‌های بیشتر است، نمودی عینی در فعالیت‌های ثبت اختراع دارد؛ به‌طوری که افزایش سریع و مستمر نوآوری در حوزه ذخیره‌سازی انرژی الکتریسیته را می‌توان در لابه‌لای آنالیزهای دقیق اسناد پتنت مشاهده نمود.
دفتر ثبت اختراع اروپا (EPO) و آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، مطالعه مشترکی انجام داده‌اند که به تحلیل و بررسی پتنت فامیلی‌های به ثبت رسیده در حوزه باتری و ذخیره‌سازی انرژی الکتریسیته در خلال سال‌های ۲۰۰۵ تا ۲۰۱۸ میلادی می‌پردازد. بنا بر این گزارش، فعالیت‌های ثبت اختراع در این حوزه، با رشد سالیانه ۱۴ درصدی مواجه شده که چهار برابر سریع‌تر از میانگین نرخ رشد در تمامی حوزه‌های فناوری است. جالب‌تر این‌که باتری‌های قابل شارژ لیتیوم- یونی که در محصولات مصرفی و همین‌طور خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، حوزه پیشگام در میان این فعالیت‌های ثبت اختراع به شمار می‌روند.
در نوشتار حاضر، مروری اجمالی بر مهم‌ترین نکات مطرح در گزارش دفتر ثبت اختراع اروپا در حوزه باتری و ذخیره‌سازی انرژی خواهیم داشت.
رشد فعالیت‌های ثبت اختراع
طی یک دهه اخیر، فعالیت‌های ثبت اختراع در حوزه فناوری‌های مرتبط با باتری‌ها و ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی، با رشد قابل توجهی روبرو بوده است. بنا بر آمار استخراج شده، در سال ۲۰۱۸ میلادی، بیش از هفت هزار پتنت فامیلی با این موضوعات انتشار یافته که در مقایسه با ۱۰۲۹ مورد سال ۲۰۰۰ میلادی، رشد تقریباً هفت برابری را نشان می‌دهد. نکته جالب‌تر این‌که با وجود یک روند صعودی مستمر از سال ۲۰۰۰ میلادی به این‌سو، اما شتاب این روند رشد از سال ۲۰۰۵ میلادی، افزایش قابل‌توجهی داشته است. شکل ۱، روند رو به رشد فعالیت‌های ثبت اختراع در حوزه ذخیره‌سازی انرژی الکتریسیته را نشان می‌دهد.
شکل ۱- نرخ رشد پتنت فامیلی‌های مرتبط با ذخیره‌سازی انرژی الکتریسیته و پتنت فامیلی‌های مربوط به همه حوزه‌های فناوری
همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، تعداد پتنت فامیلی‌های مربوط به حوزه ذخیره‌سازی انرژی، با روند صعودی عجیبی همراه شده است. زمانی این روند صعودی بهتر درک می‌شود که تغییرات تعداد پتنت فامیلی‌های این حوزه از فناوری را با تغییرات پتنت فامیلی‌های کل حوزه‌های فناوری مقایسه کنیم. در حالی‌که در بازه زمانی ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۸، رشد در حوزه ذخیره‌سازی بالغ بر ۷۰۴ درصد بوده است، کل حوزه‌های فناورانه، تنها رشد ۲۱۳ درصدی را تجربه نموده‌اند. نگاه دقیق‌تر سال به سال، حاکی از آن است که نرخ رشد میانگین حوزه باتری، سالیانه برابر با ۱۴ درصد بوده که در مقایسه با میانگین ۳/۵ درصدی حوزه‌های مختلف فناوری، تفاوت معناداری را نشان می‌دهد. حرکت اصلی برای ایجاد این فاصله چشمگیر، از سال ۲۰۰۵ میلادی آغاز شده که یک شیب تند صعودی در خصوص فناوری‌های مربوط به حوزه باتری را شکل داده است. باید این نکته را در نظر داشت که چنین سرمایه‌گذاری‌های گسترده برای تحقیق و توسعه، صرفاً یک علاقه‌مندی ساده به حوزه باتری‌ها را نشان نداده و نیازمند تأمل بسیار زیادی است.
در این میان، اختراعات الکتروشیمیایی (یعنی باتری‌ها)، با سهمی ۸۸ درصدی، بخش عمده‌ای از پتنت‌های انتشار یافته را به خود اختصاص داده‌اند. این در حالی است که دیگر موضوعات، شامل راهکارهای الکتریکی، حرارتی و مکانیکی، به ترتیب با ۹، ۵ و ۳ درصد، در رده‌های بعدی قرار دارند. البته باید توجه داشت که برخی از این حوزه‌ها، دارای همپوشانی‌هایی بوده و به همین دلیل، برخی از پتنت‌های در بیش از یک گروه گنجانده شده‌اند. به صورت کلی، می‌توان چنین نتیجه گرفت که به رغم رشد سریع تمامی این حوزه‌ها تا سال ۲۰۱۲ میلادی، ادامه این رشد در سال‌های بعدی، عمدتاً بر عهده باتری‌ها بوده و بدین ترتیب، سلطه باتری بر سایر نوآوری‌های حوزه ذخیره‌سازی انرژی الکتریسیته ایجاد گردیده است.
قرارگیری فناوری‌های لیتیوم یونی در مرکز توجهات
بررسی دقیق‌تر روند ثبت اختراعات حوزه باتری، مشخص می‌سازد که بخشی از تمرکزها برای تغییرات فناورانه، در حوزه باتری‌های اسیدی، ردوکس فلو و نیکل قرار دارد. با این وجود، از سال ۲۰۰۵ میلادی به این‌سو، انقلابی در نوآوری‌های توسعه‌یافته در حوزه فناوری لیتیوم-یون رخ داده و آن را به‌عنوان فناوری غالب در دستگاه‌های الکترونیکی قابل‌حمل و وسایط نقلیه الکتریکی تبدیل نموده است.
شکل 2، تعداد پتنت فامیلی‌های مربوط به حوزه سلول‌های باتری را در چهار گروه «لیتیوم و لیتیوم-یونی»، «سایر ترکیبات شیمیایی»، «تولید در سطح سلول‌ها» و «مهندسی در سطح سلول‌ها» نشان می‌دهد. اگر از منظر سلول‌های باتری به اسناد ثبت اختراع نگاه کنیم، در سال ۲۰۱۸ میلادی، ۴۵ درصد از فعالیت‌های ثبت اختراع، به سلول‌های مبتنی بر لیتیوم و لیتیوم یون مربوط بوده و تنها ۷/۳ درصد از پتنت‌ها، مربوط به سایر ترکیبات شیمیایی بوده است.
شکل ۲- تعداد پتنت فامیلی‌های مربوط به سلول‌های باتری طی سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۸ میلادی
نکته جالب این‌که این روند در فعالیت‌های ثبت اختراع، با روند کاهشی قیمت‌ها همراه بوده است؛ به‌طوری که از سال ۱۹۹۵ میلادی به این‌سو، قیمت باتری‌های لیتیوم-یونی برای لوازم الکترونیکی مصرفی، با کاهش بیش از ۹۰ درصدی همراه شده است. چنین روندی، در وسایط نقلیه الکتریکی هم وجود داشته و از سال ۲۰۱۰ میلادی، قیمت فناوری‌های لیتیوم- یونی در این حوزه نیز، کاهش تقریباً ۹۰ درصدی را تجربه نموده است. این مسئله، به‌خوبی نقش نوآوری و پیشرفت‌های فنی صورت گرفته در تجاری‌سازی هر چه بیشتر فناوری‌ها را نشان می‌دهد. ارتباط این میزان افت قیمت با روند نوآوری را زمانی می‌توان بیشتر درک نمود که بدانیم در خصوص کاربردهای ثابتی همچون مدیریت شبکه برق که نوآوری‌های کمتری در آن رخ داده است، هزینه‌ها در یک بازه زمانی مشابه آنچه برای باتری‌های لیتیوم-یونی گفته شد، افت قابل توجهی نداشته و تنها در حدود دو-سوم مقادیر قبلی است.
بخشی از این کاهش هزینه‌ها، مربوط به استفاده از ترکیبات شیمیایی جدید و تنظیم دقیق‌تر تریکبات مورد استفاده برای کاتدها بوده است. بخش دیگر نیز، در نتیجه تولید به مقیاس حاصل شده است. اما همانطور که از آمار مشخص است، روش‌ها نوارانه در فرایندهای تولید نیز، نقشی کلیدی در این خصوص از خود نشان داده‌اند. در واقع، فعالیت‌های ثبت اختراع مربوط به تولید سلول‌های باتری و همچنین توسعه‌های مهندسی مربوط به سلول‌ها، در طول یک دهه اخیر، با افزایش سه‌برابری همراه شده و مجموعاً ۴۷ درصد از پتنت‌های این بخش را در سال ۲۰۱۸ میلادی به خود اختصاص داده‌اند. این آمار قابل توجه، گواهی بر پختگی این صنعت بوده که به دنبال بهینه‌سازی فرایندهای صنعتی برای تولید انبوه می‌باشد.
باتری‌ها از منظر کاربردی
سلول‌های باتری، معمولاً در کنار هم قرار گرفته و در مجموعه‌ای تحت عنوان بسته باتری یا پک باتری (Battery Pack) جانمایی می‌شوند تا ولتاژ، ظرفیت و توان مدنظر تولیدکنندگان برای اهداف مختلف را تأمین کنند. در حالی‌که برای برخی کاربردهای متفاوت، می‌توان از سلول‌های یکسانی استفاده نمود، اما بسته‌های باتری تا حدودی متفاوت هستند. روند ثبت اختراعات نشان می‌دهد که در سال‌های اخیر، تعداد پتنت‌های مرتبط با بسته‌های باتری، با نرخی بسیار بالاتر از پتنت‌های مرتبط با سلول‌های باتری رشد داشته‌اند. این موضوع را می‌توان در قالب سطح بلوغ فناورانه تحلیل نمود، به‌طوری که توجه از علوم بنیادین پشتیبان این فناوری‌ها، به سمت روش‌های بهینه‌سازی تحویل و پاسخگویی به تقاضای بازارهای تجاری پرمخاطب تغییر یافته است.
شواهد حاکی از آن است که از اواسط دهه ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۰ میلادی، دستگاه‌های الکترونیک مصرفی قابل‌حمل، پیشتاز نوآوری‌های حوزه بسته‌های باتری بوده‌اند. این در حالی است که در سال ۲۰۱۱ میلادی، وسایط نقلیه الکتریکی، از لوازم الکترونیک مصرفی پیشی گرفته و با قدرت مسیر با پیشتازی هرچه‌تمام‌تر طی نموده است. حتی با کاهش نسبی تعداد پتنت‌های مربوط به باتری‌های مورد استفاده در لوازم الکترونیک مصرفی در طی سال‌های ۲۰۱۴ تا ۲۰۱۷، نگاه باتری‌ها به صنعت خودرو، با کوچک‌ترین افتی همراه نشد و باز هم رشد قابل توجه خود را دنبال نمود. شکل ۳، روند رشد پتنت فامیلی‌ها در گروه‌های مختلف کاربردی نشان داده شده است.
شکل ۳- تعداد پتنت فامیلی‌های مربوط به بسته‌های باتری طی سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۸ میلادی
همانطور که در شکل ۳ مشخص است، نوآوری برای کاربردهای ثابت (Stationary Applications)، با سرعت کمتری رشد نموده است. با این وجود، نمی‌توان از این نکته چشم‌پوشی نمود که این حوزه‌ها، هم‌افزایی و انطباق نسبی با یکدیگر داشته و بهبود در هر یک از کاربردها، تأثیر مثبتی بر سایر کاربردها خواهد داشت.
پیشگامی ژاپن و کره جنوبی در رقابت‌های جهانی
کشورهای نوآور و پیشرفته آسیای جنوب شرقی، یعنی ژاپن و کره جنوبی، خود را به‌عنوان پیشگامان نوآوری برای توسعه سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی و فناوری‌های باتری مطرح ساخته و عملاً دیگر کشورها را به سمت توسعه مزایای رقابتی در بخش‌های خاصی از زنجیره ارزش باتری سوق داده‌اند.
بررسی دقیق‌تر فعالیت‌های ثبت اختراع، به‌ویژه در سال ۲۰۱۸، نشان می‌دهد که دو اقتصاد بزرگ و نوآور آسیای جنوب شرقی، در یک رقابت شدید و فزاینده برای تسلط بر حوزه باتری قرار دارند. بر اساس اطلاعات موجود، ژاپن در سال ۲۰۱۸ میلادی، با ۲۳۳۹ پتنت فامیلی (تقریباً یک‌سوم از درخواست‌های ثبت اختراع جهان در حوزه باتری و فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی)، با اختلاف قابل‌توجهی بهترین عملکرد را داشته و پس از آن، کره جنوبی با ۱۲۳۰ مورد، در رده دوم قرار گرفته است. شکل ۴، مناطق برتر در زمینه انتشار پتنت فامیلی در حوزه باتری در سال ۲۰۱۸ را نشان داده است.
این امر، در سطح بنگاهی هم به چشم می‌خورد، به‌طوری که فعالیت‌های گسترده سامسونگ و «LG» موجب شده تا کره جنوبی پس از ژاپن، در جایگاه دوم کشورهای نوآور این حوزه قرار گیرد.
شکل ۴- کشورهای برتر در زمینه انتشار پتنت فامیلی در حوزه باتری
اگر جغرافیای نوآوری در فناوری‌های باتری و سیستم‌های ذخیره‌سازی برق را از منظر شرکت‌های پیشگام و در سطح بنگاهی هم بنگریم، می‌توان چنین گفت که آسیا به‌عنوان قالب نوآوری در این حوزه محسوب می‌شود. از ۱۰ متقاضی برتر پتنت در این حوزه، ۹ شرکت در آسیا واقع شده‌اند که شامل هفت شرکت ژاپنی به رهبری تویوتا و پاناسونیک و دو شرکت کره‌ای سامسونگ و «LG» می‌باشند. تنها شرکت غیرآسیایی حاضر در لیست ده متقاضی برتر، شرکت آلمانی بوش است که در رده پنجم قرار دارد. شکل 5، ده متقاضی برتر از منظر تعداد پتنت فامیلی منتشر شده در حوزه ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی و باتری را معرفی نموده است.
شکل ۵- ده متقاضی برتر ثبت اختراع در حوزه فناوری‌های باتری و ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی
در حالی‌که شرکت‌های ژاپنی مانند پاناسونیک و سونی، از مدت‌ها پیش در این زمینه پیشرو هستند، سایر متقاضیان برتر، تنها طی دهه گذشته و هم‌زمان با افزایش فعالیت‌های ثبت اختراع مرتبط با استفاده از فناوری لیتیوم یونی در وسایط نقلیه، نوآوری‌های خود را افزایش داده‌اند. طی این مدت، شرکت‌هایی مانند «LG»، تویوتا، نیسان و بوش، به سرعت فعالیت‌های نوآورانه خود در زمینه باتری‌ها را با تمرکز بر کاربردهای خودرو افزایش داده‌اند. این در حالی است که سامسونگ به‌عنوان رهبر و یکی از بازیگران بسیار کلیدی در این حوزه، علاوه بر حضور پررنگ در باتری‌های خودرو، رشد ثبت اختراعات خود را بیشتر معطوف بر دستگاه‌های الکترونیک قابل‌حمل نموده است.
یکی از تحلیل‌های جالب گزارش «EPO»، تعریف شاخصی تحت عنوان شاخص مزیت فناوری یا «RTA» است که تخصص و مهارت هر کشور از منظر نوآوری در این حوزه از فناوری را نسبت به ظرفیت نوآوری کلی نشان می‌دهد. این تحلیل، برای دولت‌هایی که به دنبال درک بهتر مزیت‌های نسبی کشورشان در حوزه فناوری باتری هستند، جزئیات بیشتری را به نمایش گذاشته و سیاست‌گذاری‌های بعدی را تسهیل می‌سازد. «RTA» بالاتر در یک فناوری خاص، به معنای تخصص و ظرفیت فناورانه بیشتر یک کشور می‌باشد. بر اساس این فاکتور، کره جنوبی و چین با اعداد ۲/۲ و ۱/۷، اختلاف فاحشی با سایر رقبای نوآور در حوزه فناوری‌های باتری دارند. پس از این دو کشو، آلمان (۱)، چین (۰/۸) و آمریکا (۰/۶) قرار دارند.
