به گزارش تجارت نیوز، در شرایطی که جهان به دنبال جایگزینی ارزانتر و فراوانتر برای باتریهای لیتیومی است، باتریهای سدیم-یون به یکی از امیدوارکنندهترین فناوریهای حوزه انرژی تبدیل شدهاند. محدودیت منابع لیتیوم، هزینه بالای استخراج و افزایش تقاضا برای ذخیرهسازی انرژی باعث شده پژوهشگران توجه ویژهای به عنصر سدیم داشته باشند؛ عنصری که فراوانتر، ارزانتر و در دسترستر از لیتیوم است.
اکنون گروهی از دانشمندان آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام آمریکا (PNNL) توانستهاند با طراحی نوعی الکترولیت جدید، مشکل اصلی باتریهای سدیمی یعنی افت سریع عملکرد در ولتاژهای بالا را تا حد زیادی برطرف کنند. نتایج این تحقیق در مجله علمی Nano Energy منتشر شده و توجه بسیاری از کارشناسان صنعت انرژی را به خود جلب کرده است.
رکورد تازه باتریهای سدیمی؛ حفظ ۸۰ درصد ظرفیت پس از ۵۰۰ چرخه
محققان در این پروژه نوعی الکترولیت با «حلالیت ضعیف» طراحی کردهاند که عملکرد پایدارتر باتری را در شرایط ولتاژ بالا ممکن میکند. آزمایشهای انجامشده نشان داد سلولهای کامل باتری پس از ۵۰۰ چرخه شارژ و تخلیه هنوز ۸۰ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ میکنند.
این عدد در مقایسه با باتریهای سدیم-یون متداول پیشرفت چشمگیری محسوب میشود؛ زیرا بسیاری از نمونههای استاندارد معمولاً تنها بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ چرخه دوام میآورند و پس از آن افت شدید ظرفیت را تجربه میکنند.
آزمایشهای الکتروشیمیایی این پروژه در دمای ثابت ۳۰ درجه سانتیگراد انجام شد و در آن از نمکهای «سدیم هگزافلوئوروفسفات» (NaPF₆) و «سدیم بیس فلوروسولفونیل ایمید» (NaFSI) استفاده شد. پژوهشگران اعلام کردند که ترکیب جدید توانسته پایداری شیمیایی سلول را به شکل محسوسی افزایش دهد.
چرا باتریهای سدیمی اهمیت دارند؟
سدیم از نظر شیمیایی شباهت زیادی به لیتیوم دارد اما برخلاف لیتیوم، منابع آن در طبیعت بسیار فراوان است. همین مسئله باعث میشود هزینه تولید باتریهای سدیم-یون در آینده به مراتب کمتر از باتریهای لیتیومی باشد.
در سالهای اخیر با رشد خودروهای برقی و توسعه نیروگاههای خورشیدی و بادی، نیاز به سیستمهای ذخیرهسازی انرژی ارزان و پایدار به شدت افزایش یافته است. بسیاری از کارشناسان معتقدند اگر چالشهای فنی باتریهای سدیمی برطرف شود، این فناوری میتواند به رقیب جدی باتریهای لیتیوم-یون تبدیل شود.
راز موفقیت الکترولیت جدید چیست؟
یکی از مشکلات اصلی باتریهای رایج، نحوه حرکت یونها در الکترولیت است. در باتریهای معمولی، یونهای فلزی درون پوستهای از مولکولهای حلال قرار میگیرند. زمانی که این یونها به سطح الکترود میرسند، جدا شدن این پوسته به سختی انجام میشود و همین موضوع باعث ایجاد واکنشهای جانبی مخرب خواهد شد.
این واکنشها به مرور زمان الکترولیت را مصرف میکنند و موجب تخریب تدریجی باتری میشوند. اما تیم تحقیقاتی آمریکایی ساختار متفاوتی طراحی کرده که در آن یونهای سدیم رفتار کنترلشدهتری دارند و واکنشهای ناخواسته کمتر رخ میدهد.
دانشمندان در این پروژه به جای استفاده از رقیقکنندههای مرسوم، از مادهای به نام «تریس(۲،۲،۲-تریفلوئورواتیل) فسفات» یا TFP استفاده کردند. این ماده محیطی غنی از آنیون در اطراف یونهای سدیم ایجاد میکند و در عین حال پایداری شیمیایی باتری را افزایش میدهد.
بررسی دقیق عملکرد باتری با تجهیزات پیشرفته
برای ارزیابی وضعیت الکترودها، پژوهشگران پس از ۵۰ چرخه شارژ از روشهایی مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیفسنجی اشعه ایکس استفاده کردند. نتایج نشان داد الکترولیت جدید نه تنها جریان نشتی را کاهش داده، بلکه سطح مشترک الکترودها را نیز پایدارتر کرده است.
الکترودهای این باتری با ریختهگری دوغاب روی فویلهای آلومینیومی ساخته شدند و در ساخت آنها از موادی مانند پلیوینیلیدین فلوراید، سدیم کربوکسی متیل سلولز و لاستیک استایرن-بوتادین استفاده شد.
علاوه بر این، دانشمندان با استفاده از طیفسنجی رزونانس مغناطیسی هستهای توانستند ساختار دقیق حلالپوشی یونهای سدیم را بررسی کنند. نتایج نشان داد این الکترولیت جدید باعث انتقال سریعتر یونها و کاهش مقاومت انتقال بار میشود؛ عاملی که نقش مهمی در افزایش طول عمر باتری دارد.
آینده باتریهای سدیم-یون روشنتر از همیشه
«آن ال. فان» نویسنده اصلی این پژوهش اعلام کرده است که این فناوری میتواند مسیر تازهای برای طراحی باتریهای سدیم-یون ایجاد کند. به گفته او، ساختار جدید الکترولیت باعث تقویت واکنشهای مفید و سرکوب واکنشهای مخرب میشود و همین موضوع از تخریب برگشتناپذیر مواد سلولی جلوگیری میکند.
اگر این فناوری در مقیاس صنعتی نیز موفق عمل کند، باتریهای سدیمی میتوانند در آینده نزدیک در سیستمهای ذخیرهسازی انرژی، نیروگاههای تجدیدپذیر و حتی خودروهای برقی مورد استفاده گسترده قرار گیرند.
دستاورد تازه محققان آمریکایی را میتوان یکی از مهمترین پیشرفتهای سالهای اخیر در حوزه باتریهای سدیم-یون دانست. دستیابی به حفظ ۸۰ درصد ظرفیت پس از ۵۰۰ چرخه شارژ، نشان میدهد این فناوری به مرحلهای نزدیک شده که میتواند وارد کاربردهای عملی و صنعتی شود.
با توجه به فراوانی سدیم، هزینه پایینتر تولید و عملکرد رو به بهبود این باتریها، بسیاری از کارشناسان معتقدند آینده ذخیرهسازی انرژی تنها به لیتیوم وابسته نخواهد بود و باتریهای سدیمی میتوانند نقش مهمی در نسل آینده انرژی پاک ایفا کنند.
