امروزه نقش بسیار پررنگ باتری‌های لیتیوم‌یونی در زندگی روزمره انسان‌ها بر کسی پوشیده نیست. از این باتری‌ها در گوشی‌های همراه هوشمند، خودروهای الکتریکی و در سیستم‌های ذخیره انرژی باتری مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر، به ویژه در نیروگاه‌های بادی و خورشیدی زمانی که نور خورشید در دسترس نیست و وزش بادی روی نمی‌دهد، به منظور ذخیره برق تولید شده در این نیروگاه‌ها استفاده می‌شود. از آنجایی که حجم ذخایر لیتیومی زیادی در مقیاس جهانی در دسترس نیست و کشورهای مختلفی حرکت خود به سمت گذار به انرژی‌های تجدیدپذیر را آغاز کرده‌اند، پیش‌بینی می‌شود به ظرفیت تولید باتری حدود ۲۰۰ برابر بیشتر از آنچه امروز در دسترس قرار دارد، در آینده نیاز خواهد بود. از همین رو توسعه باتری‌های مختلف با فناوری‌های جدید به منظور رفع نیاز مصرف‌کنندگان ضرورت پیدا خواهد کرد.

به گزارش پایگاه خبری و تحلیلی «فلزات‌آنلاین» و به نقل از مجله «Science»، شرلی مینگ، یکی از کارشناسان خبره در صنعت باتری فعال در دانشگاه شیکاگو آمریکا بر این باور است که تامین حجم تقاضا برای باتری‌ها در آینده به دلیل حجم ذخایر محدود آن در طبیعت، تنها از طریق تکیه بر باتری‌های لیتیوم‌یون ممکن نخواهد بود.

وی پیش‌بینی کرده است احتمالا جایگاه باتری‌های لیتیوم‌یون که یک دهه است بازار ابزارهای فناورمحور را قبضه کرده، توسط باتری‌های سدیمی به خطر بیفتد. در تولید این باتری‌ها، از سدیم به جای یون لیتیوم برای ذخیره انرژی استفاده می‌شود.

به گفته مینگ، به دلیل دسترسی بسیار بالا به سدیم که در آب دریا و معادن نمک به وفور یافت می‌شوند، تامین و هزینه تولید آن آسان و مقرون‌به‌صرفه‌ خواهد بود.

یکی از چالش‌هایی که تولید این نوع باتری به همراه خواهد داشت، میزان ذخیره انرژی آن خواهد بود که در مقایسه با باتری لیتیوم‌یوم، امکان ذخیره انرژی کمتری دارند زیرا یون باتری‌های سدیمی، سه برابر حجم بزرگ‌تری نسبت به یون باتری‌های لیتیومی داشته و از این رو امکان ورود و خروج الکترودهای باتری را مختل می‌کند.

ناگفته نماند محققان صنعت باتری در سراسر جهان در حال توسعه مواد الکترودی جدیدی برای رفع این مشکل هستند؛ به نحوی که طی ۶ ماه گذشته، چندین گروه تحقیقاتی موفق به تولید باتری‌های سدیمی در مقیاس آزمایشگاهی شدند که امکان ذخیره انرژی در آن‌ها به اندازه باتری‌های لیتوم‌یون معمولی است.

دن اشتینگارت، کارشنان صنعت باتری فعال در دانشگاه کلمبیا اظهار داشت: پیشرفت‌های بسیار زیادی در تولید باتری‌های سدیمی در مقیاس تجاری انجام شده است. در همین راستا، قرار است چندین خط تولید باتری‌های سدیم یونی در مقیاس تجاری برای تامین باتری مورد نیاز وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم‌های ذخیره انرژی باتری راه‌اندازی شود.

ژان ماری تاراسکون، کارشناس باتری‌های حالت جامد فعال در بنیاد پژوهشی کالج فرانسه با اشاره به اینکه هنوز باتری‌های سدیم یون برای تولید در مقیاس گسترده تجاری به اندازه کافی تکامل نیافته‌اند، افزود: به علاوه، باتری‌های سدیم یون در مقایسه با بهترین باتری‌های لیتیوم یون عملکرد بسیار ضعیف‌تری دارند.

وی با تاکید بر اینکه در حال حاضر هیچ انگیزه اقتصادی برای گذار از باتری‌های لیتیوم‌یون به باتری‌های سدیم یون وجود ندارد، افزود: از لحاظ تئوریکی، حجم جهانی ذخایر لیتیوم با محدودیت همراه بوده و قیمت این فلز نیز در سه سال گذشته به دلیل وضعیت مازاد عرضه، بیش از ۷۰ درصد کاهش را تجربه کرده است.

مانند باتری‌های لیتیومی، باتری‌های مبتنی بر سدیم نیز از طریق عبور یون‌های دارای بار مثبت بین یک جفت الکترود که توسط یک الکترولیت رسانای یونی از هم جدا شده‌اند، کار می‌کنند. در طول فرایند شارژ باتری، آندهای دارای بار منفی از طریق الکترون‌ها تغذیه می‌شوند و یون‌های فلزی را جذب کرده تا بتوانند از طریق الکترولیت‌های کاتدی با بار مثبت عبور کنند. در فرایند تخلیه شارژ باتری، الکترون‌های باتری جابه‌جا شده و یون‌ها از آند به سمت کاتد حرکت می‌کنند.

از آنجایی که یون‌های سدیم بزرگ‌تر از یون‌های لیتیوم هستند، بنابراین امکان ذخیره حجم کمتری از یون‌های سدیمی در آند باتری وجود دارد. بر همین اساس نیاز به سلول‌های باتری بزرگ‌تر برای ذخیره انرژی، هزینه و حجم باتری‌های تولیدی را افزایش خواهد داد. در همین راستا، اخیرا تلاش‌های گسترده‌ای برای تولید باتری‌های سدیمی با امکان ذخیره‌سازی حدود ۱۵۰ وات ساعت انرژی در هر کیلوگرم در سیستم‌های ذخیره انرژی باتری در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده که نتایج امیدوارکننده‌ای را به دنبال داشته است.

گویی لیانگ ژوو، کارشناس صنعت باتری فعال در آزمایشگاه ملی آرگون در ایالت ایلینوی آمریکا مطرح کرد: راه‌های متعددی برای رفع چالش‌های تولید باتری‌های سدیم یون در مقیاس گسترده تجاری وجود دارد. یکی از این روش‌ها، تغییر مواد اولیه مورد استفاده در تولید آند باتری‌ها است.

لازم به ذکر است که در اکثر سلول باتری‌های لیتیوم‌یونی، از گرافیت برای تولید آند استفاده می‌شود. نکته قابل‌ توجه در خصوص آندهای گرافیتی اینکه این نوع ماده شکلی از کربن با ساختار لایه‌ای بسیار محکم بوده که مانع از عبور یون‌های سدیم در باتری‌ها می‌شود. برای رفع این مشکل، بسیاری از محققان به دنبال استفاده از نوع دیگری از کربن‌ها به نام کربن سخت بوده که می‌تواند با ایجاد منافذی کوچکی در آند باتری‌ها امکان عبور یون‌های سدیم را فراهم کند؛ البته استفاده از این روش معایبی را به همراه دارد و آن اینکه منافذ ایجاد شده باعث خواهد شد حجم انرژی ذخیره شده در آند کاهش پیدا ‌کند. یافته‌های اخیر نشان می‌دهد که افزودن قلع به آند ممکن است در رفع این مشکل تاثیر مثبتی داشته باشد.

یکی دیگر از این روش‌ها، تغییر مواد اولیه مورد استفاده در کاتد باتری بوده که در حالت عادی از اکسیدهای فلزی در ساخت آن استفاده می‌شود. ترکیب سدیم، وانادیوم، فسفر و اکسیژن که موجب ایجاد ساختار لایه‌ای شده، به عنوان روشی برای رفع این چالش به کار می‌رود که به کمک آن اتم‌های سدیم می‌توانند به آسانی از کاتد باتری عبور کنند.

در حال حاضر چگالی انرژی کاتدهای باتری سدیم، وانادیوم، فسفر و اکسیژن در مقایسه با چگالی انرژی کاتد سلول‌ باتری‌های لیتیوم‌یونی کمتر است. یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی پیرمانوئل کانپا، به عنوان شیمیدان برجسته دانشگاه هیوستون، اخیرا از مدل‌سازی رایانه‌ای و پرتوهای اشعه ایکس برای ایجاد تغییراتی در ساختار کریستالی کاتدهای باتری سدیم، وانادیوم، فسفر و اکسیژن استفاده کردند. براساس نتایج به دست آمده از این تحقیقات که متن آن در مجله «Nature Materials» در ماه اکتبر ۲۰۲۴ منتشر شد، تیم تحقیقاتی پیرمانوئل کانپا موفق شده است با استفاده از روش جدید نه تنها مواد اولیه تولید کاتد را به صورت مصنوعی تولید کند بلکه توانسته است از این مواد ساخته شده در کاتد باتری‌های سدیم یون استفاده کرده و در نتیجه آن، حدود ۱۵ درصد انرژی بیشتری نسبت به کاتد باتری سدیم، وانادیوم، فسفر و اکسیژن ذخیره خواهد شد.

یک روش دیگر، استفاده از ترکیبات مواد آلی در ساخت کاتد بوده که منجر به ایجاد ساختارهای لایه‌ای شده که قادر به نگهداری و آزاد کردن یون‌های سدیم می‌شود. ناگفته نماند استفاده از ترکیبات بسیاری از مواد آلی در حضور الکترولیت‌های باتری موجب تجزیه شدن آن‌ها می‌شود. در همین راستا، در شماره پنجم فوریه مجله انجمن شیمی آمریکا، یک گروه تحقیقاتی به رهبری میرچا دینکا در موسسه فناوری ماساچوست، از ساخت یک کاتد با استفاده از مواد آلی با ساختار لایه‌ای بادوام‌تر به نام «TAQ» خبر دادند. استفاده از این روش نه تنها بیشترین چگالی انرژی را در بین روش‌های به کار رفته برای تولید کاتد باتری سدیم یون داشته است بلکه پایداری آن حتی پس از هزاران بار عمل شارژ و تخلیه شارژ باقی خواهد ماند.

لارنس کروگنک، شیمیدان و مدیر موسسه «Institute of Condensed Matter Chemistry of Bordeaux» بیان کرد: با توجه به پیشرفت‌های به دست آمده در تولید باتری‌های سدیم یون، در حال حاضر تمایل شرکت‌ها به منظور استفاده از این نوع باتری در مقیاس گسترده تجاری افزایش یافته است.

در همین راستا، شرکت «CATL» به عنوان بزرگ‌ترین شرکت باتری‌ساز جهان در چین در ماه نوامبر ۲۰۲۴، از نسل دوم باتری‌های سدیم یون خود رونمایی کرد که به ادعای این شرکت، امکان ذخیره ۲۰۰ وات ساعت انرژی در هر کیلوگرم را دارد و در مقایسه با نسل اول این باتری با امکان ذخیره ۱۶۰ وات ساعت در هر کیلوگرم انرژی بیشتری را ذخیره می‌کند.

شرکت «BYD» به عنوان یکی از رقبای شرکت «CATL» اعلام کرد که در حال ساخت کارخانه‌ای برای تولید باتری‌های سدیم یونی با مجموع ظرفیت تولید سالانه ۳۰ گیگاوات ساعت تا سال ۲۰۲۷ بوده که بخشی از آن در سیستم‌های ذخیره‌ باتری انرژی مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده می‌شود.

تعدادی دیگر از تولیدکنندگان باتری در سراسر جهان از تمایل خود برای تولید باتری‌های سدیم یون خبر داده‌اند. به طور کلی، در حال حاضر بسیاری از کارشناسان صنعت باتری در مورد آینده تولید باتری‌های سدیم یون با ابهام بیشتری سخن می‌گویند. دارن تان، مدیرعامل شرکت «UNIGRID» فقدان شفافیت در خصوص جزئیات طراحی و عملکرد باتری‌های سدیم یون را یکی از مهم‌ترین عواملی دانست که ممکن است مانع از تولید این نوع باتری در مقیاس گسترده طی آینده پیش‌رو شود.

وی معتقد است که در حال حاضر عوامل فنی تنها موانع توسعه تولید باتری‌های سدیم یون محسوب نمی‌شوند. در همین راستا، قیمت نزولی لیتیوم در حال حاضر یکی از موانع افزایش فروش باتری‌های سدیم یون به شمار می‌رود. از سوی دیگر، تولیدکنندگان باتری‌های سدیم یون نیز برای بهره‌مندی از مزایای اقتصادی توسعه انبوه این نوع از باتری‌ها هنوز به اندازه کافی توسعه پیدا نکرده‌اند. در ماه نوامبر ۲۰۲۴، زمانی که شرکت سوئدی «Northvolt» به عنوان یکی از پیشگامان تولیدکننده باتری‌های سدیم یون اعلام ورشکستگی کرد، چشم‌اندازی آتی تولید این نوع از باتری‌ها ارائه شده از سوی تحلیلگران تحت تاثیر این رویداد قرار گرفت.

تصمیمات سیاسی، یکی دیگر از عوامل تاثیرگذار بر آینده تولید باتری‌های سدیم یون به شمار می‌رود. در همین راستا پس از آغاز دور دوم ریاست جمهوری ترامپ، دولت وی دستور توقف حمایت از پروژه‌های انرژی‌های بادی و خورشیدی در سطح فدرال را اعلام کرد؛ اقدامی که می‌تواند برنامه‌های توسعه سیستم‌های ذخیره انرژی باتری به عنوان ذخیره انرژی پشتیبان این نیروگاه‌ها‌ در مقیاس بزرگ را متوقف کند.

ویلیام چوئه، کارشناس بخش مواد شیمیایی در دانشگاه استنفورد اظهار داشت: دستاوردهای فناورمحور به دست آمده، تعیین‌کننده میزان صرفه اقتصادی تولید باتری‌های سدیم یون در آینده خواهد بود.

در مقاله‌ای که اخیرا ویلیام چوئه و تیم تحقیقاتی وی در روز ۱۳ ژانویه ۲۰۲۵ در مجله «Nature Energy» منتشر کردند، بیش از ۶ هزار نقشه‌ راه برای تولید باتری‌های سدیم یون مورد ارزیابی قرار گرفت و در نتیجه آن مشخص شد برای افزایش فضای رقابت این نوع از باتری با باتری‌های لیتیوم‌یونی ارزان‌قیمت، چندین اقدام از جمله کنار گذاشتن تمامی مواد اولیه گران‌قیمت مانند نیکل و وانادیوم که در حال حاضر در تولید باتری‌های سدیم‌یون استفاده می‌شوند، باید در دستور کار تولیدکنندگان قرار بگیرد.

وی در پایان یادآور شد: در حال حاضر تولید باتری‌های سدیم یون در ابتدای راه قرار دارد. با این حال، در مسیر درستی بوده و انتظار می‌رود با انجام تحقیقات بیشتر، دستاوردهای مهم‌تری در تولید این نوع از باتری‌ها طی آینده نزدیک حاصل شود.

انتهای پیام//