توسعه‌ی باتری سدیم یون با طول عمر 1000 سیکل
به مدت سه دهه است که باتری‌های لیتیوم یون به دلیل ویژگی های خاص خود از قبیل چگالی انرژی بالا و طول عمر مناسب در اغلب لوازم الکترونیکی قابل حمل و موارد تجاری و صنعتی کاربرد گسترده دارد. به جرئت می توان گفت صنعت خودروهای برقی در توسعه سریع خود کاملا متکی به باتری‌های لیتیوم یون است. بزرگترین مشکل این نوع باتری‌ها استفاده از عناصر گران قیمت و کمیاب مانند لیتیوم و کبالت در آن است . این موجب شده تا توسعه بیشتر صنعت باتری در آینده نزدیک با چالش و تردید جدی مواجه شود.
سدیم جانشین لیتیوم می‌شود
براین اساس مدت‌هاست پژوهشگران در صدد یافتن جایگزینی قابل اتکا و کاربردی برای باتری‌های لیتیوم یون هستند که در عین حال مشکل باتری‌های لیتیوم یون را نداشته باشد و با مواد اولیه ارزانتر و فراوان تولید شود. باتری‌های سدیم یون یکی از گزینه‌های پیشنهادی برای جایگزینی با باتری‌های لیتیوم یون است. سدیم به همراه لیتیوم در گروه اول جدول تناوبی عناصر و پایین‌تر از آن قرار دارد. عدد اتمی سدیم 11 است و مانند لیتیوم در لایه آخر خود یک الکترون آزاد دارد که میتواند با رها کردن آن تبدیل به یون +Na شود.
مزایا و معایب سدیم
شعاع اتمی سدیم بزرگتر از لیتیوم و همچنین واکنش پذیرتر از آن است . همین موضوع استفاده از آن را در باتری به عنوان عنصر ذخیره کننده انرژی با مشکل روبرو کرده است. سدیم در مقایسه با لیتیوم در پوسته زمین بسیار فراوان‌تر و در دسترس‌تر است و این مزیت مهمی است که توجه دانشمندان زیادی را به سدیم به عنوان جایگزین لیتیوم معطوف کرده است.
با وجود این مزیت بزرگ، باتری‌های سدیم یون معایبی نیز دارند که چگالی انرژی پایین تر و طول عمر کمتر نسبت به باتری لیتیوم یون، مهمترین آنهاست. باتری‌های سدیم یون تعداد چرخه های شارژ و تخلیه بسیار کمتری را تحمل می‌کنند. یکی از دلایل آن، تشکیل لایه‌ای از کریستال های سدیم غیر فعال در سطح کاتد است که جریان یون های سدیم را مختل کرده و در نتیجه عملکرد باتری به سرعت متوقف می شود.
از سدیم ناامید نشوید !
به تازگی پژوهشگران دانشگاه ایالتی واشنگتن موفق شده‌اند راه حلی برای این مشکل بیابند و یکی از بهترین نتایج را برای باتری‌های سدیم یون گزارش کنند. گزارش دانشگاه واشنگتن از باتری ابداعی :
- تقریباً قادر است ظرفیت ذخیره انرژی مشابه باتری‌های لیتیوم یون را تحویل دهد.
- همچنین میتواند پس از گذراندن ۱۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ، بیش از۸۰ درصد از ظرفیت ذخیره انرژی ابتدایی خود را همچنان حفظ کند.
- نمودار ظرفیت برای کاتد طراحی شده
بخش مهمی از کار این پژوهشگران ایجاد یک کاتد اکسید فلزی لایه‌ای موسوم به “کاتد های لایه‌ای O3” و یک الکترولیت مایع با یونهای سدیم بیشتر است. آنها یک مایع الکترولیت غنی تر ایجاد کردند که تعامل بهتری با کاتد باتری دارد. این طراحی جدید کاتد و سیستم الکترولیت :
- امکان ادامه حرکت یون های سدیم را فراهم می کند .
- از تجمع کریستال های سطحی غیر فعال جلوگیری خواهد کرد.
داده های به دست آمده از این تحقیق ارتباط اساسی بین تکامل ساختار کاتد و اثر متقابل سطح با الکترولیت را نشان می دهد. نتایج این پژوهش راه را برای دستیابی به باتری‌های سدیم یون با طول عمر بالا و ظرفیت مطلوب هموار می‌کند. می‌توان امیدوار بود در آینده مواد کاتدی بدون کبالت در این باتری‌ها به تکامل برسد.
