باتریهای سدیم-یون: آماده دگرگون کردن جهان
همیشه به نظر میرسد یک فناوری باتری “انقلابی” جدید درست در گوشهای از راه است، اما هرگز در محصولات واقعی که من و شما بتوانیم استفاده کنیم، عملی نمیشوند. این امر در مورد باتریهای سدیم-یون (Sodium-ion) صدق نمیکند، زیرا آنها در حال حاضر در حال ایجاد تحول هستند و به احتمال زیاد دیر یا زود به چیزی تبدیل خواهند شد که شما به آن وابسته خواهید شد.
به احتمال زیاد، شما تا همین لحظه نام این فناوری را نشنیدهاید، بنابراین ممکن است به نظر برسد که ناگهان ظهور کرده است، اما در واقع، باتریهای سدیم-یون برای مدتی طولانی یک حوزه مورد علاقه امیدوارکننده بودهاند. اکنون، به لطف چندین پیشرفت مهم، عصر نمک فرا رسیده است.
چرا به جایگزینی برای لیتیوم نیاز داریم؟
باتریهای لیتیومی نیروی مورد نیاز جهان ما را تأمین میکنند. چگالی انرژی بالای آنها ساخت دستگاههایی مانند تلفنهای هوشمند و لپتاپها را ممکن میسازد. اکثر وسایل نقلیه الکتریکی (EV) نیز از آنها استفاده میکنند. با این حال، آنها با فهرستی طولانی از معایب همراه هستند؛ هزینههای بالای مواد اولیه، زنجیرههای تأمین شکننده، مسائل زیستمحیطی، و همچنین مشکلات اخلاقی و سیاسی.
به طور فزایندهای روشن میشود که اگر میخواهیم به طور کامل به سمت انرژیهای تجدیدپذیر حرکت کنیم (که باید ذخیره شوند) و وسایل نقلیه با موتور احتراق داخلی را کنار بگذاریم، فناوری باتری لیتیومی واقعاً نمیتواند به طور مؤثر مقیاسپذیر شود. ما به باتریهایی مبتنی بر چیزی فراوان و گسترده نیاز داریم. ما به باتریهایی نیاز داریم که ایمنتر و پایدارتر از شیمی بدنام و ناپایدار لیتیوم-یون باشند.
اینجاست که باتری متواضع سدیم-یون (Na-ion) وارد میدان میشود.
چه چیزی سدیم-یون را خاص میکند؟
اصول اساسی یک باتری سدیم-یون دقیقاً مانند یک باتری لیتیوم-یون است. تنها تفاوت این است که ما از یک ماده متفاوت برای جابجایی یونها از یک ترمینال به ترمینال دیگر استفاده میکنیم. سدیم بسیار فراوان، ارزان و آسان برای استخراج است و میتوان آن را در هر کجای جهان پیدا کرد. این بدان معناست که نمیتوان آن را توسط کشورهایی با شیوههای استخراج غیراخلاقی، به گروگان گرفت.
فقط سدیم نیست که مهم است. آهن و منگنز مواد خوبی برای کاتدهای سدیم-یون هستند و اینها نیز موادی ارزان و فراواناند. این را در مقابل نیکل و کبالت گران و نسبتاً کمیاب که در باتریهای لیتیوم-یون استفاده میشوند، قرار دهید تا اهمیت این موضوع را درک کنید.
باتریهای Na-ion بسیار ایمنتر از باتریهای Li-ion هستند. این ویژگی آنها را برای باتریهای خودروهای برقی جذاب میکند، زیرا در صورت تصادف نمیخواهید باتریها منفجر شوند. همچنین، باتریهای Na-ion در محیطهای با دمای پایین عملکرد بهتری دارند. این خبر خوبی است، زیرا برخی از نقاط جهان در حال حاضر نمیتوانند از خودروهای برقی لیتیوم-یون استفاده کنند، چون هوا بیش از حد سرد است!
پیشرفتهای محرک رشد سدیم-یون
اگر باتریهای Na-ion اینقدر عالی هستند، چرا در تمام این مدت از آنها استفاده نکردهایم؟ همانطور که انتظار میرود، مشکلاتی وجود داشت که آنها را نامناسب میساخت—تا به امروز.
چگالی انرژی یک مشکل بزرگ بود. منطقی نیست که برای تولید همان میزان انرژی، به دو برابر حجم باتری نیاز داشته باشید، به ویژه در وسیلهای مانند خودرو. با این حال، باتریهای مدرن Na-ion اکنون چگالی انرژی قابل مقایسهای با برخی از باتریهای لیتیوم-یون خودروهای برقی دارند.
همانطور که در بلاگ شرکت CATL، بزرگترین تولیدکننده باتری در جهان در چین، گزارش شده است، این شرکت نسل دوم پلتفرم سدیم-یون خود، یعنی Naxtra را با چگالی انرژی حدود ۱۷۵ واتساعت بر کیلوگرم و برنامههای تولید انبوه معرفی کرد. CATL بهبودهایی در عمر چرخه و ایمنی اعلام کرده است که Naxtra را برای بسیاری از کاربردهای خودروهای سواری، قابل مقایسه با باتریهای LFP میسازد. اگرچه این میزان هنوز کمتر از بهترین باتریهای لیتیوم-یون در خودروهای برقی است که بیش از ۱۰۰ واتساعت بر کیلوگرم ارائه میدهند، اما برای عملی شدن کافی است. علاوه بر این، اگر باتریها ارزانتر باشند، میتوانید تعداد بیشتری از آنها را برای افزایش بُرد، اضافه کنید.
تنها چین نیست که حرکتهای بزرگی انجام میدهد. همانطور که رویترز گزارش داد، شرکت Natron Energy یک گیگافکتوری سدیم-یون به ارزش ۱.۴ میلیارد دلار را در کارولینای شمالی برنامهریزی کرده است (اقدامی که هدف آن ایجاد عرضه داخلی و کاهش وابستگی به تولیدات خارج از کشور است). طرحهای کارخانهای و سرمایهگذاریهای عمومی مانند این حیاتی هستند، زیرا هزینههای باتری با مقیاس تولید به شدت کاهش مییابد.
ما فقط در مورد باتریهایی در مقیاس خودروهای برقی صحبت نمیکنیم. همانطور که در New Atlas دیده شد، شرکت ژاپنی Elecom، اولین پاوربانک مصرفکننده با استفاده از سلول سدیم-یون را عرضه کرد که به دلیل طول عمر چرخه بسیار طولانیتر و دمای عملیاتی گستردهتر تبلیغ میشود.
بهترین کاربرد برای سدیم-یون کجاست؟
باتریهای Na-ion قرار نیست (و واقعاً نباید) به طور کامل جایگزین باتریهای Li-ion شوند. بهتر است از یک فناوری در جایی استفاده شود که بیشترین تأثیر را با کمترین عیب داشته باشد، و برای باتریهای Na-ion، این موارد شامل:
- ذخیرهسازی انرژی شبکه: ما به مقادیر بسیار زیادی ذخیرهسازی انرژی نیاز داریم، به ویژه برای جبران نوسانات انرژیهای تجدیدپذیر.
- خودروهای برقی سبک و شهری: اگر میخواهیم همه به خودروهای برقی روی بیاورند، باید باتریها را ارزان و فراوان کرده و عمر و عملکرد دمایی آنها را بهبود ببخشیم. خودروهای برقی ممکن است بهترین مورد استفاده برای Na-ion باشند.
- دستگاههای کممصرف و با چرخه شارژ بالا مانند پاوربانکها، ابزارهای الکترونیکی، و برخی از کاربردهای اینترنت اشیا (IoT) که از طول عمر چرخه بالا و دمای عملیاتی گسترده سود میبرند.
- کاربردهای ترکیبی (هیبریدی): طرحهای جالبی وجود دارد که سلولهای لیتیوم و سدیم را با هم ترکیب میکنند، به ویژه برای خودروهای برقی. این امکان را فراهم میکند که یک باتری هیبریدی ایجاد شود که بتواند از نقاط قوت هر دو نوع باتری استفاده کند.
مسیر پیش رو
تحقیقات تحلیلی منتشر شده توسط IDTechEx نشان میدهد که هزینه سلولی میتواند در مقیاس تولید انبوه برای شیمی رایج سدیم-یون با کاتدهای آهن/منگنز، به حدود ۴۰ دلار آمریکا در هر کیلووات ساعت کاهش یابد. این مقدار بسیار پایینتر از هزینه لیتیوم-یون است و تحلیلگران انتظار دارند که تقاضا برای باتریهای سدیم-یون به دلیل محبوبیت و کاهش قیمت خودروهای برقی، که بخشی از آن به لطف این باتریهای ارزانتر است، سر به فلک بکشد.
باتریهای سدیم به احتمال زیاد به یک فناوری مکمل عمده برای باتریهای لیتیوم-یون تبدیل خواهند شد که باعث کاهش کمیابی و فشار عرضه بر فناوریهای لیتیوم میشوند. در صورت لزوم، اگر دسترسی به مواد لیتیوم بیش از حد گران یا دشوار شود، فناوری باتری سدیم-یون میتواند به طور کامل جایگزین لیتیوم-یون شود، اما تنها زمان نشان خواهد داد که تحولات ژئوپلیتیک چگونه پیش میرود. در حال حاضر، انتظار یک انقلاب در فناوری باتریهای در مقیاس بزرگ برای خودروها، ذخیرهسازی شبکه و ایستگاههای برق خانگی میرود، و کارخانههای تولید این باتریها در حال حاضر ساخته شدهاند.
