نتایج یک مطالعه جدید نشان میدهد باتری سدیم-یونی تجاری ساخت چین از نظر کیفیت ساخت و برخی شاخصهای عملکرد به باتریهای تسلا رسیده است؛ دستاوردی که میتواند راه را برای تولید خودروهای برقی ارزانتر و کاهش وابستگی به لیتیوم هموار کند.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران در مطالعهای جدید اعلام کردند که یک باتری سدیم-یونی تجاری ساخت چین که هماکنون در برخی خودروهای برقی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار میگیرد از نظر کیفیت ساخت و چندین شاخص کلیدی عملکرد، به باتریهای لیتیوم-یونی شرکت تسلا نزدیک شده است.
این دستاورد نشان میدهد فناوری باتریهای سدیمی با سرعتی فراتر از انتظار در حال پیشرفت است و میتواند در آینده به جایگزینی کمهزینهتر برای باتریهای لیتیومی تبدیل شود.
نتایج این پژوهش که در نشریه Cell Reports Physical Science منتشر شده نشان میدهد اگرچه این باتریها همچنان در زمینه چگالی انرژی و شارژ در دماهای بسیار پایین با محدودیتهایی روبهرو هستند، اما عملکرد مطلوب، کیفیت ساخت بالا و هزینه بالقوه کمتر آنها را به گزینهای امیدوارکننده برای خودروهای برقی و ذخیرهسازی انرژی تبدیل کرده است.
مقایسه مستقیم با باتریهای تسلا
محققان 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 مورد بررسی قرار دادند و عملکرد آنها را با سلولهای پیشرفته لیتیوم-یونی مورد استفاده در خودروهای تسلا مقایسه کردند.
آنها برای بررسی کیفیت تولید از روش غیرمخرب طیفسنجی امپدانس (Impedance Spectroscopy) استفاده کردند تا میزان یکنواختی فرآیند ساخت سلولها را اندازهگیری کنند.
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 تصویربرداری پرتو ایکس ساختار داخلی باتریها را پیش از باز کردن آنها بررسی کردند و سپس ابعاد الکترودها، ترکیب مواد و ویژگیهای میکروسکوپی آنها را مورد تجزیهوتحلیل قرار دادند.
طراحی پیشرفته مشابه باتریهای تسلا
بررسیها نشان داد این باتریهای سدیم-یونی از طراحی نسبتا 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 باعث کاهش مقاومت الکتریکی، توزیع یکنواختتر دما در داخل سلول و بهبود عملکرد کلی باتری میشود. موریتز شوته در این باره گفت: از میزان یکنواختی سلولهای باتری واقعا شگفتزده شدیم.
عملکرد فراتر از انتظار
نتایج آزمایشها نشان داد این باتری سدیمی در ارائه توان بالا عملکردی بهتر از چیزی دارد که معمولا از نخستین نسل محصولات تجاری این فناوری انتظار میرود.
شوته 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 مطلوب در دماهای پایین این باتریها را برای استفاده در سامانههای ذخیرهسازی انرژی، خدمات شبکه برق و خودروهای تجاری یا خودروهای با برد کوتاه به گزینهای جذاب تبدیل میکند؛ کاربردهایی که در آنها هزینه پایینتر و دسترسی آسانتر به مواد اولیه، اهمیت بیشتری نسبت به حداکثر برد حرکتی دارد.
ضعف اصلی شارژ در هوای سرد
با وجود این موفقیتها پژوهشگران تأکید میکنند که باتریهای سدیم-یونی هنوز در برخی زمینهها از بهترین باتریهای لیتیوم-یونی عقب هستند. مهمترین نقطه ضعف این فناوری، کاهش کارایی هنگام شارژ در دماهای پایین است.
شوته توضیح داد: برای کاربردهایی که نیازمند شارژ مکرر در دماهای پایین هستند استفاده از سامانههای مدیریت حرارتی یا راهبردهای عملیاتی مناسب ضروری خواهد بود، زیرا شارژ در هوای سرد همچنان یکی از نقاط ضعف اصلی این فناوری محسوب میشود.
کشف غیرمنتظره در ساختار باتری
یکی دیگر از یافتههای جالب این تحقیق، مشاهده غلظت بالای مس در بخشهایی از کاتد باتری بود؛ موضوعی که انتظار آن نمیرفت.
به گفته پژوهشگران این مسئله پرسشهای جدیدی درباره نقش مس در عملکرد و فرسودگی باتری ایجاد کرده است.
شوته گفت: این موضوع پرسشهای جالبی درباره تأثیر مس بر عملکرد و فرآیند پیرشدن باتری مطرح میکند. امیدواریم نسلهای آینده باتریهای سدیمی بدون استفاده از نیکل و مس نیز بتوانند به چگالی انرژی رقابتی دست پیدا کنند.
چرا سدیم اهمیت پیدا کرده است؟
سدیم یکی از فراوانترین عناصر موجود در طبیعت است و در مقایسه با لیتیوم، استخراج و تامین آن بسیار 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 تامین مواد اولیه را پایدارتر سازد و هزینه خودروهای برقی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی را در بلندمدت کاهش دهد.
مطالعه همچنین نشان داد که 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، به گزینهای مناسب تبدیل میکند.
البته پژوهشگران تأکید میکنند که باتریهای سدیم-یونی تجاری 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 باتریهای سدیمی در دماهای زیر صفر درجه سانتیگراد تمرکز کند تا شارژ این باتریها در شرایط یخبندان ایمنتر و کارآمدتر شود.
به نقل از برنا، همچنین پژوهشگران به دنبال توسعه مواد جدید برای اجزای داخلی باتری هستند. به گفته شوته پیشرفت در طراحی آندهای کربن سخت (Hard Carbon Anodes) و همچنین توسعه الکترولیتهای جدید میتواند نقش مهمی در افزایش کارایی، چگالی انرژی و رقابتپذیری نسل آینده باتریهای سدیم-یونی ایفا کند.
این نتایج نشان میدهد که 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 بهویژه در کاربردهایی که هزینه و دسترسی به مواد اولیه اهمیت بیشتری دارد سهم قابل توجهی از بازار باتری را به خود اختصاص دهد.