دنیایی که امروز در آن زندگی میکنیم با باتریها کار میکند. اما باتریهای لیتیوم یونی که بر بازار تسلط دارند، گران هستند و استخراج آنها از نظر زیستمحیطی دشوار است. مواد اولیه باتریهای لیتیوم یونی کمیاب و در چند منطقه جغرافیایی متمرکز هستند. این امر فشار مداومی را بر زنجیرههای تأمین وارد میکند.
باتریهای سدیم یون به دلیل استفاده از مواد فراوان، جایگزینهای امیدوارکنندهای هستند. اما سدیم دارای کاستیهایی است که مانع از استفاده آن به عنوان جایگزینی برای لیتیوم شده است.
در کاری که در موسسه برنال دانشگاه لیمریک انجام شد، تیم من اکنون باتریای تولید کرده است که نقاط قوت سدیم و لیتیوم را با هم ترکیب میکند. این میتواند منجر به باتریهای پایدارتری شود که فشارهای زنجیره تأمین مرتبط با لیتیوم را کاهش میدهند. نتایج در مجله Nano Energy منتشر شده است.
باتریهای سدیم یون از نظر چگالی انرژی از باتریهای لیتیومی عقبتر هستند. چگالی انرژی، میزان انرژی ذخیره شده در باتری نسبت به وزن یا اندازه آن است. چگالی انرژی پایینتر باتری بر دستگاهها و ماشینهایی که به آنها نیرو میدهند، تأثیر میگذارد.
اگر وسایل نقلیه الکتریکی از ماژولهای باتری با چگالی انرژی پایینتر استفاده کنند، مسافتی را که میتوانند قبل از نیاز به شارژ مجدد طی کنند، محدود میکند. کاهش چگالی انرژی باتریها همچنین باعث سنگینتر شدن تبلتها و لپتاپها میشود.
چگونه میتوانیم پایداری سدیم را بدون به خطر انداختن عملکرد مهار کنیم؟ این تنش مانند مفهوم فلسفی باستانی یین و یانگ به نظر میرسد. این ایده توضیح میدهد که چگونه نیروهای به ظاهر متضاد در واقع مکمل و مرتبط هستند.
در این مورد، سدیم فراوان اما ضعیف است، در حالی که لیتیوم قدرتمند اما کمیاب است. با الهام از این دوگانگی، من فکر کردم که آیا این دو فناوری میتوانند به جای رقابت، هماهنگ با هم کار کنند یا خیر.
این امر ما را به تولید اولین باتری سلولی کامل با دو الکترود - یکی مثبت و یکی منفی - سوق داد که از دو اتم یا مولکول باردار (یون) استفاده میکند. در این مورد، اتمهای باردار سدیم و لیتیوم هستند. باتریهایی که از یونهای مثبت مختلف برای ذخیره و انتقال انرژی استفاده میکنند، به عنوان باتریهای کاتیونی دوگانه شناخته میشوند.
چرا یونهای سدیم کم میآورند؟
یک باتری استاندارد از یک یا چند سلول تشکیل شده است. سلول انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. در سلول دو الکترود یا ترمینال وجود دارد: یک ترمینال مثبت به نام کاتد و یک ترمینال منفی به نام آند.
هنگامی که باتری برای تأمین انرژی یک دستگاه الکترونیکی استفاده میشود، الکترونهای با بار منفی از طریق مدار جریان مییابند و به ترمینال مثبت باتری میرسند. محیط شیمیایی بین آند و کاتد الکترولیت نامیده میشود. لیتیوم و سدیم را در یک نیم سلول ترکیب کنیم که یک الکترود به جای دو الکترود در یک الکترولیت غوطهور است. فقط مقدار کمی نمک لیتیوم به یک الکترولیت غالب سدیم اضافه شد که نحوه رفتار باتری را به طور اساسی تغییر داد.
این کار تقریباً ظرفیت ذخیرهسازی نیم سلول را در مقایسه با یک باتری سدیمی معادل دو برابر کرد. همچنین تا 1000 چرخه شارژ-دشارژ در جریانهای شارژ بالاتر پایدار بود. چرخههای شارژ-دشارژ تعداد دفعاتی را که یک باتری میتواند از 100٪ به 0٪ تخلیه شود و قبل از کاهش ظرفیت آن تا 100٪ شارژ مجدد شود، اندازهگیری میکند.
در پشت صحنه، یک باله شیمیایی جذاب بین لیتیوم و سدیم در حال وقوع بود. یونهای لیتیوم از یونهای سدیم کوچکتر هستند، بنابراین میتوانند راحتتر از طریق ماده آند حرکت کنند. حرکت آنها به باز شدن مسیرهای هموارتر برای سدیم کمک میکند و "سد نفوذ" - مقاومت در آند که معمولاً باتریهای سدیم را کند میکند - را کاهش میدهد. این امر به یونهای بیشتری اجازه ورود به آند را میدهد و به آن اجازه میدهد بار بیشتری ذخیره کند.
به همان اندازه مهم بود که سدیم به جلوگیری از به دام افتادن لیتیوم در داخل ماده پس از تخلیه کمک کرد. این تبادل رفت و برگشتی، واکنش را برگشتپذیر نگه داشت و به باتری هم ظرفیت بالاتر و هم پایداری چرخه بهتری داد. در این تعامل یین-یانگ، هیچ یک از یونها غالب نبودند؛ در عوض، آنها به طور هماهنگ کار میکردند.
تأمین انرژی پاک
آزمایشهای نیمسلول اولین قدم به سوی کاربردهای دنیای واقعی هستند. در مرحله بعدی، نشان داده شد که چگونه مخلوطی از لیتیوم و سدیم در یک سلول باتری کامل کار میکند.
نگهداری ظرفیت باتری، درصد انرژی ذخیره شده اولیه در باتری را که پس از یک دوره استفاده مشخص در دسترس باقی میماند، اندازهگیری میکند. سلول کامل، پس از 200 چرخه، 70٪ ظرفیت باتری را حفظ کرد. این بسیار بهتر از الکترولیت فقط سدیم است که پس از حدود 50 چرخه شروع به از کار افتادن کرد.
عملکرد سلول کامل به ویژه رضایتبخش بود، زیرا سدیم همچنان حامل بار غالب است. این تضمین میکند که باتری هنوز اساساً یک سیستم سدیم-یون است.
این پیشرفت میتواند با کاهش وابستگی به کاتدهای غنی از کبالت و نیکل، که رایج، اما گران، با عرضه محدود و مرتبط با نگرانیهای زیستمحیطی هستند، به انتقال انرژی پاک در جهان کمک کند. طراحی ما سدیم را به عنوان یون اصلی فعال نگه میدارد و آن را با یک کاتد سولفید آهن پایدارتر جفت میکند. از آنجا که سدیم و آهن از بسیاری از فلزات باتری معمولی فراوانتر هستند، شیمی میتواند ارزانتر و آسانتر در مقیاس بزرگ باشد.
مقدار کم لیتیوم عمدتاً به عنوان یک تقویتکننده عملکرد عمل میکند تا منبع اصلی. این امر باعث میشود باتری هم عملکرد بالاتری داشته باشد و هم به طور بالقوه وابستگی کمتری به مواد حیاتی پرهزینه داشته باشد. علاوه بر آن ، این روش، مسیر جدیدی را برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر در شبکه برق نشان میدهد که میتواند به جوامع و صنایع کمک کند تا به آیندهای سبزتر دست یابند.
با وجود موفقیت نمونه اولیه ، هنوز کارهای زیادی برای انجام دادن باقی مانده است. آند در سلول و نیم سلول از ژرمانیوم ساخته شده بود که گران است. چالش بعدی جایگزینی ژرمانیوم با مواد آندی ارزانتر است. یکی از کاندیداها سیلیکون است که میتواند به طور برگشتپذیر میزبان یونهای لیتیوم و سدیم در طول شارژ و دشارژ باشد، اما همچنین ظرفیت ذخیرهسازی بالاتری را برای باتری فراهم میکند.
این افزایش، چگالی انرژی باتریهای سدیمی را افزایش میدهد. همچنین باید آند را با کاتدی جفت کنیم که قادر به تولید ولتاژهای بالاتر از آنچه در حال حاضر داریم، باشد.
من قبلاً جفتهای جایگزین و پایدار یونهای مختلف، مانند لیتیوم-منیزیم و پتاسیم-سدیم را بررسی کردهام. همچنین در حال آزمایش فرمولاسیونهای جدید الکترولیت هستیم.
تحقیقات تیم من نشان میدهد که با پذیرش یین یانگ لیتیوم و سدیم، میتوانیم به سمت باتریهایی حرکت کنیم که هم عملکرد بالا و هم پایداری را نشان میدهند. این امر چشمانداز جهانی را افزایش میدهد که در آن تلفن، ماشین و حتی شبکه برق شما از یونهای سدیم ارزان و فراوان - که به آرامی با زمزمهای از لیتیوم پشتیبانی میشوند - نیرو میگیرند.
منابع:
https://techxplore.com/news/2026-05-sodium-lithium-dominant-ingredient-batteries.html
باتریهای سدیم یون به دلیل استفاده از مواد فراوان، جایگزینهای امیدوارکنندهای هستند. اما سدیم دارای کاستیهایی است که مانع از استفاده آن به عنوان جایگزینی برای لیتیوم شده است.
در کاری که در موسسه برنال دانشگاه لیمریک انجام شد، تیم من اکنون باتریای تولید کرده است که نقاط قوت سدیم و لیتیوم را با هم ترکیب میکند. این میتواند منجر به باتریهای پایدارتری شود که فشارهای زنجیره تأمین مرتبط با لیتیوم را کاهش میدهند. نتایج در مجله Nano Energy منتشر شده است.
باتریهای سدیم یون از نظر چگالی انرژی از باتریهای لیتیومی عقبتر هستند. چگالی انرژی، میزان انرژی ذخیره شده در باتری نسبت به وزن یا اندازه آن است. چگالی انرژی پایینتر باتری بر دستگاهها و ماشینهایی که به آنها نیرو میدهند، تأثیر میگذارد.
اگر وسایل نقلیه الکتریکی از ماژولهای باتری با چگالی انرژی پایینتر استفاده کنند، مسافتی را که میتوانند قبل از نیاز به شارژ مجدد طی کنند، محدود میکند. کاهش چگالی انرژی باتریها همچنین باعث سنگینتر شدن تبلتها و لپتاپها میشود.
چگونه میتوانیم پایداری سدیم را بدون به خطر انداختن عملکرد مهار کنیم؟ این تنش مانند مفهوم فلسفی باستانی یین و یانگ به نظر میرسد. این ایده توضیح میدهد که چگونه نیروهای به ظاهر متضاد در واقع مکمل و مرتبط هستند.
در این مورد، سدیم فراوان اما ضعیف است، در حالی که لیتیوم قدرتمند اما کمیاب است. با الهام از این دوگانگی، من فکر کردم که آیا این دو فناوری میتوانند به جای رقابت، هماهنگ با هم کار کنند یا خیر.
این امر ما را به تولید اولین باتری سلولی کامل با دو الکترود - یکی مثبت و یکی منفی - سوق داد که از دو اتم یا مولکول باردار (یون) استفاده میکند. در این مورد، اتمهای باردار سدیم و لیتیوم هستند. باتریهایی که از یونهای مثبت مختلف برای ذخیره و انتقال انرژی استفاده میکنند، به عنوان باتریهای کاتیونی دوگانه شناخته میشوند.
چرا یونهای سدیم کم میآورند؟
یک باتری استاندارد از یک یا چند سلول تشکیل شده است. سلول انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. در سلول دو الکترود یا ترمینال وجود دارد: یک ترمینال مثبت به نام کاتد و یک ترمینال منفی به نام آند.
هنگامی که باتری برای تأمین انرژی یک دستگاه الکترونیکی استفاده میشود، الکترونهای با بار منفی از طریق مدار جریان مییابند و به ترمینال مثبت باتری میرسند. محیط شیمیایی بین آند و کاتد الکترولیت نامیده میشود. لیتیوم و سدیم را در یک نیم سلول ترکیب کنیم که یک الکترود به جای دو الکترود در یک الکترولیت غوطهور است. فقط مقدار کمی نمک لیتیوم به یک الکترولیت غالب سدیم اضافه شد که نحوه رفتار باتری را به طور اساسی تغییر داد.
این کار تقریباً ظرفیت ذخیرهسازی نیم سلول را در مقایسه با یک باتری سدیمی معادل دو برابر کرد. همچنین تا 1000 چرخه شارژ-دشارژ در جریانهای شارژ بالاتر پایدار بود. چرخههای شارژ-دشارژ تعداد دفعاتی را که یک باتری میتواند از 100٪ به 0٪ تخلیه شود و قبل از کاهش ظرفیت آن تا 100٪ شارژ مجدد شود، اندازهگیری میکند.
در پشت صحنه، یک باله شیمیایی جذاب بین لیتیوم و سدیم در حال وقوع بود. یونهای لیتیوم از یونهای سدیم کوچکتر هستند، بنابراین میتوانند راحتتر از طریق ماده آند حرکت کنند. حرکت آنها به باز شدن مسیرهای هموارتر برای سدیم کمک میکند و "سد نفوذ" - مقاومت در آند که معمولاً باتریهای سدیم را کند میکند - را کاهش میدهد. این امر به یونهای بیشتری اجازه ورود به آند را میدهد و به آن اجازه میدهد بار بیشتری ذخیره کند.
به همان اندازه مهم بود که سدیم به جلوگیری از به دام افتادن لیتیوم در داخل ماده پس از تخلیه کمک کرد. این تبادل رفت و برگشتی، واکنش را برگشتپذیر نگه داشت و به باتری هم ظرفیت بالاتر و هم پایداری چرخه بهتری داد. در این تعامل یین-یانگ، هیچ یک از یونها غالب نبودند؛ در عوض، آنها به طور هماهنگ کار میکردند.
تأمین انرژی پاک
آزمایشهای نیمسلول اولین قدم به سوی کاربردهای دنیای واقعی هستند. در مرحله بعدی، نشان داده شد که چگونه مخلوطی از لیتیوم و سدیم در یک سلول باتری کامل کار میکند.
نگهداری ظرفیت باتری، درصد انرژی ذخیره شده اولیه در باتری را که پس از یک دوره استفاده مشخص در دسترس باقی میماند، اندازهگیری میکند. سلول کامل، پس از 200 چرخه، 70٪ ظرفیت باتری را حفظ کرد. این بسیار بهتر از الکترولیت فقط سدیم است که پس از حدود 50 چرخه شروع به از کار افتادن کرد.
عملکرد سلول کامل به ویژه رضایتبخش بود، زیرا سدیم همچنان حامل بار غالب است. این تضمین میکند که باتری هنوز اساساً یک سیستم سدیم-یون است.
این پیشرفت میتواند با کاهش وابستگی به کاتدهای غنی از کبالت و نیکل، که رایج، اما گران، با عرضه محدود و مرتبط با نگرانیهای زیستمحیطی هستند، به انتقال انرژی پاک در جهان کمک کند. طراحی ما سدیم را به عنوان یون اصلی فعال نگه میدارد و آن را با یک کاتد سولفید آهن پایدارتر جفت میکند. از آنجا که سدیم و آهن از بسیاری از فلزات باتری معمولی فراوانتر هستند، شیمی میتواند ارزانتر و آسانتر در مقیاس بزرگ باشد.
مقدار کم لیتیوم عمدتاً به عنوان یک تقویتکننده عملکرد عمل میکند تا منبع اصلی. این امر باعث میشود باتری هم عملکرد بالاتری داشته باشد و هم به طور بالقوه وابستگی کمتری به مواد حیاتی پرهزینه داشته باشد. علاوه بر آن ، این روش، مسیر جدیدی را برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر در شبکه برق نشان میدهد که میتواند به جوامع و صنایع کمک کند تا به آیندهای سبزتر دست یابند.
با وجود موفقیت نمونه اولیه ، هنوز کارهای زیادی برای انجام دادن باقی مانده است. آند در سلول و نیم سلول از ژرمانیوم ساخته شده بود که گران است. چالش بعدی جایگزینی ژرمانیوم با مواد آندی ارزانتر است. یکی از کاندیداها سیلیکون است که میتواند به طور برگشتپذیر میزبان یونهای لیتیوم و سدیم در طول شارژ و دشارژ باشد، اما همچنین ظرفیت ذخیرهسازی بالاتری را برای باتری فراهم میکند.
این افزایش، چگالی انرژی باتریهای سدیمی را افزایش میدهد. همچنین باید آند را با کاتدی جفت کنیم که قادر به تولید ولتاژهای بالاتر از آنچه در حال حاضر داریم، باشد.
من قبلاً جفتهای جایگزین و پایدار یونهای مختلف، مانند لیتیوم-منیزیم و پتاسیم-سدیم را بررسی کردهام. همچنین در حال آزمایش فرمولاسیونهای جدید الکترولیت هستیم.
تحقیقات تیم من نشان میدهد که با پذیرش یین یانگ لیتیوم و سدیم، میتوانیم به سمت باتریهایی حرکت کنیم که هم عملکرد بالا و هم پایداری را نشان میدهند. این امر چشمانداز جهانی را افزایش میدهد که در آن تلفن، ماشین و حتی شبکه برق شما از یونهای سدیم ارزان و فراوان - که به آرامی با زمزمهای از لیتیوم پشتیبانی میشوند - نیرو میگیرند.
منابع:
https://techxplore.com/news/2026-05-sodium-lithium-dominant-ingredient-batteries.html