به گزارش تجارت نیوز، باتریهای لیتیوم-یون سالهاست که به فناوری اصلی در تلفنهای هوشمند، لپتاپها، خودروهای برقی و بسیاری دیگر از تجهیزات الکترونیکی تبدیل شدهاند. این باتریها انرژی را از طریق جابهجایی یونهای لیتیوم بین دو الکترود، یعنی آند و کاتد، ذخیره و آزاد میکنند.
با وجود عملکرد مناسب، افزایش تقاضا برای باتری و رشد سریع بازار خودروهای برقی باعث شده است پژوهشگران به دنبال مواد اولیه فراوانتر و ارزانتر باشند. یکی از گزینههای مهم در این زمینه، باتریهای سدیم-یون است.
باتریهای سدیم-یون از نظر عملکرد کلی شباهت زیادی به باتریهای لیتیوم-یون دارند، اما به جای یونهای لیتیوم از یونهای سدیم استفاده میکنند. سدیم در طبیعت بسیار فراوانتر از لیتیوم است و همین موضوع میتواند در صورت توسعه فناوری و تولید انبوه، هزینه ساخت باتری را کاهش دهد.
با این حال، باتریهای سدیم-یون هنوز با چالشهایی از جمله افزایش چگالی انرژی، پایداری و طول عمر مواجه هستند. پژوهش جدید محققان دانشگاه نانجینگ میتواند گامی برای حل یکی از همین مشکلات باشد.
باتری سدیم-یون چگونه کار میکند؟
در یک باتری قابل شارژ، یونها هنگام شارژ و تخلیه بین دو الکترود حرکت میکنند. در باتریهای لیتیوم-یون این حرکت توسط یونهای لیتیوم انجام میشود، در حالی که در باتریهای سدیم-یون، یونهای دارای بار مثبت سدیم وظیفه مشابهی را بر عهده دارند.
کاتد یکی از مهمترین اجزای باتری است و نقش تعیینکنندهای در ظرفیت و عملکرد آن دارد. در بسیاری از باتریهای سدیم-یون، کاتد از موادی موسوم به «اکسیدهای لایهای» ساخته میشود.
این مواد ساختاری کریستالی دارند که از لایههای فلز و اکسیژن تشکیل شده است و یونهای سدیم میتوانند در فضای میان این لایهها قرار بگیرند.
هنگام شارژ و دشارژ باتری، واکنشهای شیمیایی موسوم به واکنشهای اکسایش-کاهش یا ردوکس رخ میدهند. این واکنشها امکان ذخیره و آزادسازی انرژی را فراهم میکنند.
در حالت معمول، فلزات موجود در ساختار کاتد نقش اصلی را در انتقال الکترون بر عهده دارند. اما در برخی مواد پیشرفتهتر، خود اتمهای اکسیژن موجود در شبکه کریستالی نیز میتوانند در این واکنشها مشارکت کنند.
همین اتفاق میتواند ظرفیت ذخیره انرژی باتری را افزایش دهد، اما در مقابل، یک مشکل مهم ایجاد میکند.
مشکل اکسیژن در کاتدهای پرانرژی چیست؟
هنگامی که اکسیژن موجود در ساختار کاتد وارد واکنش اکسایش-کاهش میشود، همیشه نمیتواند پس از تخلیه باتری به وضعیت شیمیایی اولیه خود بازگردد.
این برگشتپذیری ناقص در صورت تکرار چرخههای شارژ و دشارژ میتواند به مرور زمان باعث ایجاد تغییرات ساختاری در کاتد شود. در نتیجه، عملکرد باتری کاهش پیدا میکند و ظرفیت آن به تدریج افت خواهد کرد.
این مسئله اهمیت زیادی دارد؛ زیرا یکی از ویژگیهای اصلی هر باتری قابل شارژ، توانایی آن برای تحمل تعداد زیادی چرخه شارژ و دشارژ بدون کاهش شدید ظرفیت است.
به زبان ساده، استفاده از اکسیژن برای افزایش انرژی قابل ذخیره در باتری میتواند مانند یک شمشیر دولبه عمل کند. از یک طرف ظرفیت و چگالی انرژی را افزایش میدهد، اما از طرف دیگر اگر واکنشهای شیمیایی آن به شکل کامل برگشتپذیر نباشند، عمر باتری کاهش پیدا میکند.
پژوهشگران دانشگاه نانجینگ تلاش کردهاند این مشکل را با استفاده از آهن برطرف کنند.
آهن؛ واسطهای برای انتقال الکترون در باتری
تیم پژوهشی به سرپرستی شیونگ چو و لیگوانگ وانگ، یک ماده جدید برای ساخت کاتد باتری سدیم-یون طراحی کرده است. این ماده از سدیم، منگنز، منیزیم، آهن و اکسیژن تشکیل شده و فرمول شیمیایی آن به صورت زیر است:
Na₂/₃Mn₇/₁₂Mg₁/₄Fe₁/₆O₂
در این ساختار، آهن تنها یک عنصر اضافهشده به ترکیب کاتد نیست، بلکه نقش مهمی در فرآیند انتقال الکترون ایفا میکند.
پژوهشگران از یونهای آهن به عنوان نوعی «واسطه اکسایش-کاهش» استفاده کردهاند. این یونها به انتقال الکترون میان اکسیژن شبکه و سایر اجزای کاتد کمک میکنند.
در هنگام شارژ باتری، یونهای Fe⁴⁺ میتوانند الکترونها را از اکسیژن موجود در ساختار شبکه دریافت کنند. در مرحله تخلیه نیز یونهای Fe²⁺ به بازگرداندن این الکترونها به اکسیژن اکسیدشده کمک میکنند.
به این ترتیب، آهن مانند یک شاتل یا واسطه عمل میکند که رفتوبرگشت الکترونها را آسانتر کرده و اجازه میدهد واکنشهای مربوط به اکسیژن با آسیب کمتری به ساختار کاتد انجام شوند.
برگشتپذیری واکنش اکسیژن از ۷۵ به ۹۹ درصد رسید
یکی از مهمترین نتایج این تحقیق، افزایش چشمگیر برگشتپذیری واکنشهای اکسایش-کاهش مربوط به اکسیژن است.
بر اساس نتایج آزمایشها، در ساختارهای مورد بررسی، استفاده از آهن توانست میزان برگشتپذیری این واکنشها را از حدود ۷۵ درصد به ۹۹ درصد افزایش دهد.
این تفاوت ۲۴ واحد درصدی اهمیت زیادی دارد. هرچه یک واکنش شیمیایی در باتری برگشتپذیرتر باشد، احتمال اینکه ساختار الکترود در چرخههای متعدد شارژ و دشارژ پایدار باقی بماند بیشتر خواهد بود.
پژوهشگران معتقدند همین ویژگی میتواند به افزایش پایداری چرخهای باتریهای سدیم-یون پرانرژی کمک کند.
در واقع، هدف اصلی این فناوری تنها افزایش انرژی ذخیرهشده در باتری نیست؛ بلکه حفظ این عملکرد در طول زمان نیز اهمیت دارد.
چگالی انرژی ۲۰۶ واتساعت بر کیلوگرم
محققان برای آزمایش عملکرد ماده جدید، آن را به عنوان کاتد در یک سلول کیسهای سدیم-یون مورد استفاده قرار دادند. نتایج نشان داد این سلول توانست به چگالی انرژی ۲۰۶ واتساعت بر کیلوگرم دست پیدا کند.
چگالی انرژی یکی از مهمترین شاخصها در ارزیابی باتریهاست و نشان میدهد یک باتری به ازای هر کیلوگرم وزن خود چه مقدار انرژی میتواند ذخیره کند. هرچه این عدد بالاتر باشد، در شرایط یکسان میتوان انرژی بیشتری را با باتریای سبکتر ذخیره کرد.
البته برای مقایسه مستقیم فناوریهای مختلف باتری، تنها یک عدد کافی نیست و عواملی مانند طول عمر، سرعت شارژ، هزینه تولید، ایمنی و عملکرد در شرایط مختلف نیز باید در نظر گرفته شوند.
عملکرد پایدار پس از ۱۰۰ چرخه شارژ و دشارژ
یکی دیگر از یافتههای مهم این پژوهش به دوام سلول آزمایشی مربوط میشود. باتری ساختهشده در این آزمایش توانست به مدت ۱۰۰ چرخه شارژ و دشارژ در جریان ۵۰ میلیآمپر بر گرم کار کند و پس از این تعداد چرخه، ۸۷.۸ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کند.
حفظ نزدیک به ۸۸ درصد ظرفیت پس از ۱۰۰ چرخه نشان میدهد ماده جدید از نظر پایداری چرخهای عملکرد امیدوارکنندهای دارد.
البته این آزمایش هنوز در مرحله پژوهشی قرار دارد و برای ارزیابی قابلیت استفاده تجاری این فناوری، آزمایشهای بسیار طولانیتر و در شرایط نزدیکتر به کاربردهای واقعی لازم است.
باتریهای مورد استفاده در خودروهای برقی، سامانههای ذخیره انرژی و تجهیزات الکترونیکی باید بتوانند صدها یا حتی هزاران چرخه شارژ و دشارژ را تحمل کنند. بنابراین، آزمایش ۱۰۰ چرخهای را باید بیشتر یک اثبات اولیه عملکرد دانست تا نتیجه نهایی درباره طول عمر تجاری باتری.
چرا افزایش عمر باتریهای سدیم-یون مهم است؟
باتریهای سدیم-یون به دلیل فراوانی سدیم، توجه زیادی را در صنعت انرژی به خود جلب کردهاند. لیتیوم مادهای ارزشمند و استراتژیک است و افزایش تقاضا برای آن میتواند فشار بیشتری بر زنجیره تأمین مواد اولیه باتری وارد کند.
سدیم در مقایسه با لیتیوم بسیار فراوانتر است و در بسیاری از مناطق جهان دسترسی به آن آسانتر است. همین موضوع میتواند در آینده به کاهش وابستگی صنعت باتری به لیتیوم کمک کند.
با این حال، برای اینکه باتریهای سدیم-یون بتوانند در بازارهای بزرگ رقابت کنند، باید از نظر چگالی انرژی، عمر مفید، هزینه، ایمنی و عملکرد کلی به سطح مناسبی برسند.
تحقیقات مربوط به کاتدهای جدید، از جمله استفاده از آهن برای کنترل واکنشهای اکسیژن، میتواند یکی از مسیرهای رسیدن به این هدف باشد.
آیا باتریهای سدیم-یون میتوانند جایگزین لیتیوم-یون شوند؟
هنوز نمیتوان گفت باتریهای سدیم-یون در آینده به طور کامل جایگزین باتریهای لیتیوم-یون خواهند شد. فناوری لیتیوم-یون طی چند دهه توسعه پیدا کرده و اکنون در مقیاس بسیار بزرگ تولید میشود.
مزیت اصلی باتریهای لیتیوم-یون، بهخصوص در کاربردهایی مانند خودروهای برقی، چگالی انرژی بالای آنها و بلوغ زنجیره تولید است. از سوی دیگر، باتریهای سدیم-یون میتوانند در برخی کاربردها به دلیل هزینه احتمالی پایینتر و دسترسی بیشتر به مواد اولیه، مزیت داشته باشند.
به همین دلیل، احتمال دارد در آینده هر دو فناوری در کنار یکدیگر مورد استفاده قرار بگیرند و هر کدام برای کاربردهایی که بیشترین مزیت را دارند، انتخاب شوند.
برای مثال، باتریهای سدیم-یون میتوانند در برخی سامانههای ذخیرهسازی انرژی، وسایل نقلیه شهری یا کاربردهایی که وزن و حجم باتری اهمیت کمتری دارد، جذاب باشند.
گام بعدی؛ رساندن فناوری از آزمایشگاه به بازار
نتایج پژوهش دانشگاه نانجینگ نشان میدهد اصلاح ساختار شیمیایی کاتد میتواند راهی مؤثر برای حل یکی از مشکلات مهم باتریهای سدیم-یون باشد.
با این حال، مسیر بین یک نتیجه آزمایشگاهی و تولید انبوه یک باتری تجاری بسیار طولانی است. پژوهشگران باید در مراحل بعدی بررسی کنند که آیا این ماده میتواند در تعداد بیشتری از چرخهها عملکرد خود را حفظ کند و آیا تولید آن در مقیاس صنعتی از نظر هزینه و فرآیند ساخت امکانپذیر است یا خیر.
همچنین باید عملکرد این باتری در شرایط مختلف دمایی، سرعتهای متفاوت شارژ و دشارژ و در سلولهای بزرگتر بررسی شود.
اگر نتایج اولیه در آزمایشهای گستردهتر نیز تأیید شود، فناوری استفاده از آهن به عنوان واسطه انتقال الکترون میتواند به طراحی نسل جدیدی از کاتدهای سدیم-یون کمک کند.
آهن میتواند مسیر باتریهای سدیم-یون را هموارتر کند
پژوهش جدید محققان دانشگاه نانجینگ و همکاران آنها نشان میدهد که افزودن آهن به ساختار کاتدهای اکسید لایهای میتواند مشکل مهمی را در باتریهای سدیم-یون برطرف کند.
در این روش، یونهای آهن به عنوان واسطهای برای انتقال الکترون عمل میکنند و به اکسیژن موجود در شبکه کاتد اجازه میدهند در واکنشهای اکسایش-کاهش مشارکت کند، بدون اینکه برگشتپذیری این واکنشها به میزان زیادی کاهش پیدا کند.
نتایج آزمایشها قابل توجه است؛ برگشتپذیری واکنشهای اکسایش-کاهش شبکه-اکسیژن از ۷۵ درصد به ۹۹ درصد افزایش یافت. همچنین سلول کیسهای آزمایشی به چگالی انرژی ۲۰۶ واتساعت بر کیلوگرم دست پیدا کرد و پس از ۱۰۰ چرخه شارژ و دشارژ توانست ۸۷.۸ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کند.
این اعداد هنوز به معنای آماده بودن فناوری برای ورود گسترده به بازار نیستند، اما نشان میدهند باتریهای سدیم-یون همچنان ظرفیت بالایی برای پیشرفت دارند.
اگر پژوهشهای آینده بتوانند دوام این باتریها را در تعداد بسیار بیشتری از چرخهها و در شرایط واقعی تأیید کنند، استفاده از آهن در کاتد میتواند یکی از راهکارهای مهم برای ساخت باتریهای سدیم-یون پرانرژیتر، پایدارتر و بادوامتر باشد. در چنین شرایطی، فناوری سدیم-یون میتواند جایگاه خود را به عنوان یکی از گزینههای مهم نسل آینده ذخیرهسازی انرژی تثبیت کند و وابستگی صنعت باتری به منابع لیتیوم را نیز تا حدی کاهش دهد.
منبع: تجارت نیوز
