باتری سدیم یونی(قسمت اول)

باتری سدیم یونی(قسمت اول)

مقدمه

امروزه صنایع الکترونیک و وسایل نقلیه الکتریکی پیشرفت زیادی نموده‌اند. باتری‌ها به‌عنوان قلب وسایل نقلیه الکتریکی و تجهیزات الکترونیکی قابل‌حمل نقش مهمی در زندگی روزمره دارند. از هنگام اختراع باتری‌های لیتیوم یونی توسط گیلبرت نیوتون لوئیس در سال 1913 و سپس تجاری‌سازی آن‌ها در سال 1991 توسط شرکت سونی، تحقیقات زیادی روی این باتری‌ها انجام گرفته است. با این‌حال منابع لیتیوم محدود و ترکیبات آن گران‌قیمت و سمی هستند و از سوی دیگر احتمال انفجار و آتش‌سوزی در باتری‌های با آند لیتیومی نگرانی‌های جدی ایجاد کرده است. لذا در سال‌های اخیر محققان به دنبال یافتن جایگزینی مناسب برای این سری از باتری‌ها بوده‌اند. اخیراً فلز سدیم با توجه به خواص و ویژگی‌های نزدیک به فلز لیتیوم بسیار موردتوجه قرار گرفته است. لذا باتری سدیم یون می‌توانند جایگزینی مناسب برای باتری‌های لیتیوم یونی باشند. بااین‌وجود، مشکلاتی همچون سرعت شارژ پایین و دانسیته انرژی پایین‌تر مانع از تولید تجاری آن‌ها شده است.

شکل 1، باتری‌های سدیم یونی را ازنظر دانسیته انرژی با همتایان خود یعنی باتری‌های لیتیوم یونی و پتاسیم یونی مقایسه می‌کند. همان‌طور که مشخص است باتری‌های سدیم یونی دانسیته انرژی کمتری از دو رقیب خود ارائه می‌کنند. بااین‌وجود، مزایایی چون قیمت ارزان آن‌ها را نیز نباید نادیده گرفت.

برای حل این مشکلات و تجاری‌سازی این باتری‌ها نیاز است که تحقیقات بیشتری صورت گیرد. لذا هدف ما این است که با بررسی منابع علمی روز دنیا، ابتدا ساختار و ویژگی‌های این نوع از باتری‌ها را تشریح نموده و سپس راه‌حل‌هایی برای حل مشکلات پیش رو و تجاری‌سازی آن‌ها ارائه دهیم.

فلز سدیم

فلز سدیم، عنصری از جدول تناوبی با عدد اتمی 11 و نماد Na است. سدیم یک فلز قلیایی متعلق به گروه اول جدول تناوبی و تنها دارای یک تک الکترون در پوسته خارجی خود است. همچنین، سدیم فلزی نرم به رنگ سفید نقره‌ای و بسیار واکنش‌پذیر است.

این فلز در سال 1807 برای نخستین بار توسط هامفری دیوی با الکترولیز سدیم هیدروکسید به‌دست آمد. سدیم آزاد در طبیعت موجود نیست و بایستی از ترکیبات آن آماده گردد. سدیم به‌عنوان ششمین عنصر فراوان در پوسته زمین به شکل کانی هایی همچون فلدسپار، سودالیت و سنگ نمک موجود است. همچنین سدیم عنصری حیاتی برای انسان، حیوانات و گیاهان به شمار می‌رود. موقعیت فلز سدیم در جدول تناوبی در شکل 2 دیده می‌شود.

تاریخچه

باتری‌های سدیمی بااینکه هنوز به بازار راه نیافته‌اند اما قدمتی طولانی دارند. شرکت فورد در سال 1960 برای اولین بار باتری سدیم-سولفور را معرفی کرد. این نوع باتری در دمای بالا که سدیم به حالت مذاب وجود دارد، عمل می‌کرد (شکل 3).

در دهه‌های 1970 و 1980 به‌موازات پیشرفت باتری‌های لیتیومی، تحقیقات زیادی در رابطه با باتری‌های سدیمی صورت گرفت، اما با توسعه و موفقیت تجاری باتری‌های لیتیوم یونی، این تحقیقات به مقدار زیادی به حاشیه رانده شدند. علاوه بر این در طول این سال‌ها، کیفیت کلی مواد، الکترولیت‌ها و گلاو باکس‌ها برای کار با سدیم کافی نبود. عوامل یادشده مشاهده عملکرد الکترود سدیمی را دشوار می‌نمود.

در دهه 1980 و قبل از تجاری‌سازی باتری‌های لیتیوم یونی، تعداد اندکی از شرکت‌های آمریکایی و ژاپنی یک نوع باتری سدیم یونی با آندی از جنس آلیاژ سدیم-قلع و کاتدی از اکسید سدیم-کبالت را توسعه دادند. باوجود پایداری مناسب، این باتری به‌طور کلی عملکرد ضعیف‌تری نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی مشابه داشت.

در ادامه و در سال 2003 برای اولین بار باتری‌های سدیمی پایدار در دمای اتاق معرفی شدند. در ادامه تحقیقات معدودی تا سال 2008 روی این باتری‌ها انجام گرفت. در سال 2008، با پیوستن بسیاری از مراکز تحقیقاتی و آزمایشگاهی جدید به این حوزه، تحقیقات با شدت بیشتری دنبال شدند و امروزه بسیاری از مراکز تحقیقاتی در دنیا به دنبال تجاری‌سازی و جایگزینی این نوع باتری با باتری‌های لیتیوم یونی هستند.

مقایسه با سایر باتری ها

با آنکه باتری‌های سدیم یونی ساختار و سازوکاری شبیه به باتری‌های لیتیوم یونی دارند اما سایز بزرگ‌تر سدیم نسبت به لیتیوم سبب کاهش راندمان و سرعت شارژ این باتری‌ها می‌گردد. بااین‌وجود، معرفی و بهینه سازی مواد الکترودی و الکترولیت‌های جدید توانسته است این نقایص را تا حدودی برطرف کند.

یکی از مزایای باتری‌های سدیم یونی نسبت به مهم‌ترین رقیب خود یعنی باتری‌های لیتیومی قیمت ارزان‌تر مواد به‌کاررفته در آن است. برای مثال استفاده از آلومینیم به‌عنوان جمع کننده جریان آند در باتری‌های لیتیومی به دلیل انجام واکنش نامطلوب مقدور نیست و لذا از مس استفاده می‌شود. این نگرانی در مورد باتری‌های سدیمی وجود ندارد و در صورت استفاده از آلومینیم می‌توان هزینه‌های تولید را کاهش داد.

شکل 4 ساختار هزینه‌ای در هنگامی‌که سدیم با لیتیوم و فویل آلومینیم با مس جایگزین شود را نشان می‌دهد. همانطور که در این شکل دیده می‌شود در اثر این دو جایگزینی، هزینه‌ی ساخت باتری از 1022 دلار به 894 دلار رسیده است که یک کاهش قابل‌ملاحظه به نظر می‌رسد.

آینده و چالش های پیش رو

تحقیقات روی باتری‌های سدیمی، در طول 10 سال گذشته به‌شدت افزایش یافته است و هم‌اکنون یک رقابت بزرگ با باتری‌های لیتیوم یونی در جریان است. شکل 5 تعداد مقالات منتشرشده در سال را در سال‌های مختلف برای هر دو باتری سدیمی و لیتیومی نشان می‌دهد.

همان‌گونه که مشخص است در سال‌های اخیر میزان پژوهش بر روی باتری‌های سدیمی بیشتر از باتری‌های لیتیومی بوده است. همچنین تمام مطالعات و مکانیزم‌های بیان‌شده در باتری‌های لیتیوم یونی می‌تواند به‌طور موفقیت‌آمیز به مواد سدیمی انتقال یابد حتی اگر تعدادی از آن‌ها متفاوت باشند.

باتری‌های سدیم یونی چندین چالش عمده دارند، که تاکنون مانع از گسترش و تجاری‌سازی این‌گونه از باتری‌ها شده است. چالش‌های باتری‌های سدیم یونی عبارت‌اند از:

1. چگالی انرژی حجمی و وزنی پایین به دلیل دارا بودن پتانسیل ریداکس بالا
2. ایمنی و عمر چرخه‌ای کم
3. نرخ عملکردی پایین

لذا با بهینه سازی مواد موجود و رفع ایرادات اشاره‌شده، می‌توان به‌زودی شاهد ورود باتری‌های سدیم یونی به بازار وسایل الکترونیکی و سیستم‌های حمل‌ونقل الکتریکی باشیم.

ویدیوی زیر یک خلاصه‌ای از باتری سدیم یون ارائه می‌دهد و علاوه بر آن دلیل انتخاب این نوع از باتری ها را نیز بیان می‌کند.

نتیجه گیری:

در این مقاله سعی شد تا کلیات باتری سدیم یون شرح داده شود و با مقایسه‌ی این باتری با باتری لیتیوم یون، مزایا و معایب باتری مشخص گردد. در قسمت بعد عملکرد باتری سدیم یون و اجزای آن به تفکیک اورده خواهد شد.

مراجع:

A.Y. John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, L I T H I U M – I O N B At T E R I E S, R. T H E Acad. Swedish Sci. O F. 50005 (2019) 0–13.
X. Zheng, C. Bommier, W. Luo, L. Jiang, Y. Hao, Y. Huang, Sodium metal anodes for room-temperature sodium-ion batteries: Applications, challenges and solutions, Energy Storage Mater. 16 (2019) 6–23. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.04.014.
W. Zhang, Y. Liu, Z. Guo, Approaching high-performance potassium-ion batteries via advanced design strategies and engineering, Sci. Adv. 5 (2019) eaav7412. https://doi.org/10.1126/sciadv.aav7412.
Sodium, (n.d.). https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium.
Periodic table, (n.d.). https://www.sciencenewsforstudents.org/article/scientists-say-periodic-table.
J.-Y. Hwang, S.-T. Myung, Y.-K. Sun, Sodium-ion batteries: present and future, Chem. Soc. Rev. 46 (2017) 3529–3614. https://doi.org/10.1039/C6CS00776G.

نویسنده مقاله: محسن کریم پور

تاریخ انتشار:بهمن 98