فناوری جدید ذخیرهسازی انرژی؛ باتریهای سدیمی عمر عملیاتی طولانیتری پیدا کردند
در حالی که صنعت انرژی جهانی به دنبال جایگزینهایی ارزانتر و در دسترستر برای باتریهای لیتیوم-یون است، باتریهای سدیم-یون بهعنوان یکی از مهمترین گزینههای نسل بعدی ذخیرهسازی انرژی مطرح شدهاند. فراوانی منابع سدیم، هزینه پایینتر استخراج و افزایش تقاضا برای سامانههای ذخیرهسازی برق، توجه پژوهشگران و شرکتهای فناوری را به این حوزه معطوف کرده است.
به گزارش معدننیوز، در حالی که صنعت انرژی جهانی به دنبال جایگزینهایی ارزانتر و در دسترستر برای باتریهای لیتیوم-یون است، باتریهای سدیم-یون بهعنوان یکی از مهمترین گزینههای نسل بعدی ذخیرهسازی انرژی مطرح شدهاند. فراوانی منابع سدیم، هزینه پایینتر استخراج و افزایش تقاضا برای سامانههای ذخیرهسازی برق، توجه پژوهشگران و شرکتهای فناوری را به این حوزه معطوف کرده است.
اکنون گروهی از دانشمندان آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام آمریکا (PNNL) اعلام کردهاند با توسعه نوعی الکترولیت جدید، توانستهاند یکی از مهمترین چالشهای باتریهای سدیم-یون—افت سریع عملکرد در ولتاژهای بالا—را تا حد زیادی برطرف کنند. نتایج این پژوهش در مجله علمی Nano Energy منتشر شده و بهسرعت مورد توجه فعالان صنعت باتری قرار گرفته است.
ثبت عملکرد پایدار در ۵۰۰ چرخه شارژ
بر اساس نتایج منتشرشده، سلولهای کامل این باتری پس از ۵۰۰ چرخه شارژ و تخلیه همچنان ۸۰ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کردهاند؛ عملکردی که در مقایسه با بسیاری از باتریهای سدیم-یون متداول پیشرفت قابلتوجهی محسوب میشود. نمونههای رایج این فناوری معمولاً پس از ۱۰۰ تا ۳۰۰ چرخه با افت محسوس ظرفیت مواجه میشوند.
پژوهشگران در این پروژه از نوعی الکترولیت با «حلالیت ضعیف» استفاده کردهاند که پایداری شیمیایی بیشتری در شرایط ولتاژ بالا ایجاد میکند. آزمایشهای الکتروشیمیایی در دمای ثابت ۳۰ درجه سانتیگراد انجام شد و در آن از نمکهای «سدیم هگزافلوئوروفسفات» (NaPF₆) و «سدیم بیس فلوروسولفونیل ایمید» (NaFSI) بهره گرفته شد.
چرا سدیم اهمیت پیدا کرده است؟
افزایش سریع تقاضا برای خودروهای برقی و توسعه نیروگاههای خورشیدی و بادی، فشار فزایندهای بر زنجیره تأمین لیتیوم وارد کرده است. در این میان، سدیم به دلیل فراوانی بالا و هزینه پایینتر، به گزینهای جذاب برای توسعه باتریهای نسل آینده تبدیل شده است.
اگرچه باتریهای سدیم-یون از نظر شیمیایی شباهت زیادی به باتریهای لیتیومی دارند، اما تاکنون محدودیتهایی مانند افت سریع ظرفیت، پایداری ضعیف در ولتاژهای بالا و عمر چرخهای کوتاه، مانع تجاریسازی گسترده آنها شده بود.
نقش کلیدی الکترولیت جدید
یکی از عوامل اصلی تخریب باتریهای رایج، رفتار یونها در محیط الکترولیت است. در ساختارهای متداول، یونهای فلزی در پوستهای از مولکولهای حلال حرکت میکنند و هنگام رسیدن به سطح الکترود، جدا شدن این پوسته واکنشهای جانبی مخربی ایجاد میکند. این فرآیند بهتدریج الکترولیت را مصرف کرده و موجب کاهش عمر باتری میشود.
تیم تحقیقاتی PNNL برای حل این مشکل، بهجای رقیقکنندههای متداول، از ماده «تریس(۲،۲،۲-تریفلوئورواتیل) فسفات» یا TFP استفاده کرده است. به گفته پژوهشگران، این ماده محیطی غنی از آنیون در اطراف یونهای سدیم ایجاد میکند و در نتیجه، واکنشهای ناخواسته کاهش یافته و پایداری شیمیایی سلول افزایش مییابد.
دانشمندان برای بررسی وضعیت الکترودها پس از ۵۰ چرخه شارژ، از روشهایی مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیفسنجی اشعه ایکس استفاده کردند. نتایج نشان داد الکترولیت جدید علاوه بر کاهش جریان نشتی، سطح مشترک الکترودها را نیز پایدارتر کرده است.
الکترودهای مورد استفاده از طریق ریختهگری دوغاب روی فویلهای آلومینیومی ساخته شدند و در ترکیب آنها موادی مانند پلیوینیلیدین فلوراید، سدیم کربوکسی متیل سلولز و لاستیک استایرن-بوتادین به کار رفت.
همچنین محققان با استفاده از طیفسنجی رزونانس مغناطیسی هستهای، ساختار دقیق حلالپوشی یونهای سدیم را تحلیل کردند. یافتهها نشان داد الکترولیت جدید موجب انتقال سریعتر یونها و کاهش مقاومت انتقال بار میشود؛ دو عاملی که نقش تعیینکنندهای در افزایش عمر چرخهای باتری دارند.
«آن ال. فان»، نویسنده اصلی این پژوهش، اعلام کرده است ساختار جدید الکترولیت میتواند مسیر تازهای برای طراحی باتریهای سدیم-یون ایجاد کند. به گفته او، این فناوری همزمان واکنشهای مفید را تقویت و واکنشهای مخرب را سرکوب میکند؛ موضوعی که از تخریب برگشتناپذیر مواد سلولی جلوگیری خواهد کرد.
در صورت موفقیت این فناوری در مقیاس صنعتی، باتریهای سدیم-یون میتوانند به گزینهای رقابتی برای سیستمهای ذخیرهسازی انرژی، نیروگاههای تجدیدپذیر و حتی خودروهای برقی تبدیل شوند.
پیشرفت اخیر محققان آمریکایی نشان میدهد فناوری باتریهای سدیمی به مرحلهای نزدیک شده که میتواند از آزمایشگاه وارد کاربردهای عملی شود. بسیاری از تحلیلگران صنعت انرژی معتقدند با توجه به هزینه پایینتر، فراوانی مواد اولیه و بهبود مستمر عملکرد، آینده ذخیرهسازی انرژی دیگر صرفاً به لیتیوم وابسته نخواهد بود.