رقیب تازه باتری‌های لیتیومی/ فناوری سدیم با سرعت پیشرفت می‌کند

به گزارش صد آنلاین ، پژوهشگران در مطالعه‌ای جدید اعلام کردند که یک باتری سدیم-یونی تجاری ساخت چین از نظر کیفیت ساخت و چند شاخص مهم عملکردی به باتری‌های لیتیوم-یونی مورد استفاده در خودروهای تسلا نزدیک شده است؛ موضوعی که نشان می‌دهد فناوری باتری‌های سدیمی با سرعتی بیشتر از انتظار در حال پیشرفت است.

به گزارش برنا، نتایج این پژوهش که در نشریه Cell Reports Physical Science منتشر شده نشان می‌دهد اگرچه این باتری‌ها هنوز در زمینه چگالی انرژی و شارژ در دماهای بسیار پایین محدودیت‌هایی دارند، اما عملکرد مناسب، کیفیت ساخت بالا و هزینه بالقوه کمتر آنها را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای خودروهای برقی و سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی تبدیل کرده است.

مقایسه مستقیم با باتری‌های تسلا

در این تحقیق، پژوهشگران دانشگاه RWTH آخن آلمان به سرپرستی موریتز شوته (Moritz Schütte) برای ارزیابی توانمندی این فناوری، ۱۲۰ سلول باتری سدیم-یونی تولیدشده توسط شرکت چینی Hina را بررسی کردند و عملکرد آنها را با سلول‌های پیشرفته لیتیوم-یونی مورد استفاده در خودروهای تسلا مقایسه کردند.

برای ارزیابی کیفیت تولید، محققان از روش طیف‌سنجی امپدانس (Impedance Spectroscopy) استفاده کردند؛ روشی غیرمخرب که می‌تواند میزان یکنواختی در فرآیند ساخت سلول‌های باتری را مشخص کند.

علاوه بر این، عملکرد باتری‌ها در شرایط واقعی و در جریان‌های مختلف شارژ و تخلیه و در بازه دمایی منفی ۲۰ تا مثبت ۴۵ درجه سانتی‌گراد آزمایش شد. پژوهشگران همچنین با استفاده از تصویربرداری پرتو ایکس ساختار داخلی باتری‌ها را پیش از باز کردن بررسی کردند و سپس ابعاد الکترودها، ترکیب مواد و ویژگی‌های میکروسکوپی آنها را تحلیل کردند.

طراحی پیشرفته مشابه باتری‌های تسلا

بررسی‌ها نشان داد این باتری‌های سدیم-یونی از طراحی نسبتاً پیشرفته‌ای بهره می‌برند. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های آنها استفاده از کلکتور جریان دوگانه آلومینیومی بدون زبانه (Tabless Double‑Aluminum Current Collector) است؛ معماری‌ای که شباهت زیادی به طراحی باتری‌های نسل جدید تسلا دارد.

این ساختار می‌تواند مقاومت الکتریکی را کاهش دهد، توزیع دما را در داخل سلول یکنواخت‌تر کند و عملکرد کلی باتری را بهبود دهد.

موریتز شوته درباره نتایج این بررسی گفت:

«از میزان یکنواختی سلول‌های باتری واقعاً شگفت‌زده شدیم.»

عملکردی بهتر از انتظار

نتایج آزمایش‌ها نشان داد این باتری سدیمی در ارائه توان بالا عملکردی بهتر از آن چیزی دارد که معمولاً از نخستین نسل محصولات تجاری این فناوری انتظار می‌رود.

شوته در این باره گفت:

«عملکرد این باتری در توان‌دهی بالا بسیار بهتر از آن چیزی بود که از یک محصول تجاری اولیه سدیم-یونی انتظار داشتیم.»

به گفته او، ترکیب کیفیت ساخت مناسب، توان خروجی بالا و عملکرد قابل قبول در دماهای پایین این باتری‌ها را برای کاربردهایی مانند سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی، خدمات شبکه برق و خودروهای تجاری یا خودروهای با برد کوتاه به گزینه‌ای جذاب تبدیل می‌کند؛ کاربردهایی که در آنها هزینه پایین و دسترسی آسان‌تر به مواد اولیه اهمیت بیشتری نسبت به حداکثر برد حرکتی دارد.

نقطه ضعف اصلی در هوای سرد

با وجود این پیشرفت‌ها، پژوهشگران تأکید می‌کنند که باتری‌های سدیم-یونی هنوز در برخی زمینه‌ها از بهترین باتری‌های لیتیوم-یونی عقب هستند.

مهم‌ترین ضعف این فناوری کاهش کارایی هنگام شارژ در دماهای پایین است.

شوته توضیح داد برای کاربردهایی که نیازمند شارژ مکرر در هوای سرد هستند، استفاده از سامانه‌های مدیریت حرارتی یا راهبردهای عملیاتی مناسب ضروری خواهد بود؛ زیرا شارژ در دماهای پایین همچنان یکی از چالش‌های اصلی این فناوری است.

کشف غیرمنتظره در ساختار باتری

یکی از یافته‌های جالب این پژوهش، مشاهده غلظت بالای مس در بخش‌هایی از کاتد باتری بود؛ موضوعی که پیش‌بینی نمی‌شد.

 به گفته پژوهشگران، این موضوع پرسش‌های جدیدی درباره نقش مس در عملکرد و فرآیند فرسودگی باتری ایجاد کرده است.

شوته در این باره گفت:

«این موضوع پرسش‌های جالبی درباره تأثیر مس بر عملکرد و پیرشدن باتری مطرح می‌کند. امیدواریم نسل‌های آینده باتری‌های سدیمی بدون استفاده از نیکل و مس نیز بتوانند به چگالی انرژی رقابتی دست پیدا کنند.»

سدیم یکی از فراوان‌ترین عناصر موجود در طبیعت است و در مقایسه با لیتیوم، استخراج و تأمین آن آسان‌تر و ارزان‌تر است.

به همین دلیل استفاده از سدیم می‌تواند:

•     هزینه تولید باتری‌ها را کاهش دهد
•     وابستگی به منابع محدود لیتیوم را کمتر کند
•     زنجیره تأمین مواد اولیه را پایدارتر کند
•     هزینه خودروهای برقی و سامانه‌های ذخیره انرژی را کاهش دهد

مطالعه همچنین نشان داد این باتری‌ها حتی در شرایط بار سنگین و هوای سرد نیز توان خروجی مناسبی حفظ می‌کنند؛ ویژگی‌ای که آنها را برای نیروگاه‌های ذخیره انرژی و خودروهایی که در مناطق سردسیر فعالیت می‌کنند مناسب می‌سازد.

با این حال پژوهشگران تأکید می‌کنند باتری‌های سدیم-یونی فعلی هنوز چگالی انرژی پایین‌تری نسبت به بهترین باتری‌های لیتیوم-یونی دارند و این فناوری هنوز به بلوغ کامل نرسیده است.

تیم تحقیقاتی اکنون قصد دارد روی بهبود عملکرد شارژ در دماهای زیر صفر تمرکز کند. همچنین توسعه آندهای کربن سخت (Hard Carbon) و الکترولیت‌های جدید می‌تواند نقش مهمی در افزایش کارایی، چگالی انرژی و رقابت‌پذیری نسل آینده باتری‌های سدیم-یونی داشته باشد.

به گفته پژوهشگران، اگرچه باتری‌های لیتیوم-یونی همچنان استاندارد اصلی صنعت خودروهای برقی هستند، اما فناوری سدیم-یونی با سرعت در حال نزدیک شدن به سطح عملکرد آنها است و می‌تواند در سال‌های آینده سهم قابل توجهی از بازار باتری را به دست آورد؛ به‌ویژه در کاربردهایی که هزینه و دسترسی به مواد اولیه اهمیت بیشتری دارد.