دنیایی که امروز در آن زندگی میکنیم با باتریها کار میکند و باتریها نقش مهمی در زندگی روزمره و صنعت انرژی ایفا میکنند. از تلفنهای همراه و لپتاپها گرفته تا خودروهای برقی و سیستمهای ذخیرهسازی انرژی، بخش بزرگی از فناوریهای مدرن به باتریهای لیتیوم-یون وابسته هستند. با این حال، افزایش تقاضا برای لیتیوم و محدود بودن منابع این ماده، چالشهایی را برای زنجیره تأمین جهانی ایجاد کرده است.
در مقابل، سدیم به عنوان عنصری فراوان، ارزان و در دسترس، سالهاست به عنوان جایگزینی بالقوه برای لیتیوم مورد توجه محققان قرار دارد. اما باتریهای سدیم-یون معمولاً از نظر چگالی انرژی و عملکرد کلی نمیتوانند با فناوری لیتیوم-یون رقابت کنند. به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال راهکارهایی هستند که مزایای هر دو فناوری را در یک سامانه واحد ترکیب کند.
محققان دانشگاه لیمریک ایرلند در پژوهشی جدید رویکردی متفاوت را بررسی کردهاند؛ رویکردی که به جای جایگزینی کامل لیتیوم، از ترکیب هوشمندانه لیتیوم و سدیم در یک باتری استفاده میکند. نتایج این مطالعه در مجله Nano Energy منتشر شده است.
سدیم؛ گزینهای جدی برای نسل بعدی ذخیره سازی انرژی
مهمترین مزیت سدیم، فراوانی بالای آن در طبیعت است. برخلاف لیتیوم که استخراج و تأمین آن با چالشهای اقتصادی و زیستمحیطی همراه است، سدیم در بسیاری از نقاط جهان به راحتی در دسترس قرار دارد. این ویژگی میتواند هزینه تولید باتریها را کاهش داده و وابستگی صنعت انرژی به مواد اولیه محدود را کمتر کند.
با این حال، یونهای سدیم نسبت به یونهای لیتیوم بزرگتر هستند و حرکت آنها در ساختار داخلی باتری دشوارتر است. این موضوع باعث میشود باتریهای سدیمی معمولاً ظرفیت ذخیرهسازی و چگالی انرژی کمتری نسبت به نمونههای لیتیومی داشته باشند.
ایده ترکیب دو فناوری
پژوهشگران در این مطالعه تلاش کردند از نقاط قوت هر دو عنصر استفاده کنند. در طراحی جدید، مقدار کمی نمک لیتیوم به یک الکترولیت مبتنی بر سدیم اضافه شد. اگرچه سدیم همچنان یون اصلی مسئول ذخیره و انتقال انرژی است، اما حضور مقدار محدودی لیتیوم تأثیر قابل توجهی بر عملکرد سیستم دارد.
بررسیها نشان داد یونهای کوچکتر لیتیوم میتوانند حرکت یونهای سدیم را در ساختار آند تسهیل کنند. این فرآیند مقاومت داخلی باتری را کاهش داده و شرایط مناسبتری برای ذخیره انرژی فراهم میکند. کاهش مقاومت داخلی معمولاً به بهبود نرخ شارژ و دشارژ و همچنین افزایش بهرهوری انرژی در طول چرخههای کاری منجر میشود.
در مقابل، سدیم نیز نقش مهمی در حفظ پایداری واکنشهای الکتروشیمیایی ایفا میکند و از افت سریع عملکرد باتری جلوگیری میکند. به این ترتیب، هر دو عنصر به جای رقابت، در کنار یکدیگر عمل میکنند.
اهمیت این فناوری برای آینده ذخیره سازی انرژی
یکی از مزایای مهم این رویکرد، کاهش وابستگی به مواد گرانقیمت و محدود است. در این طراحی، سدیم همچنان نقش اصلی را در فرآیند ذخیره انرژی ایفا میکند و لیتیوم تنها به عنوان تقویتکننده عملکرد مورد استفاده قرار میگیرد.
علاوه بر این، پژوهشگران از مواد نسبتاً فراوانتری مانند آهن در ساختار باتری استفاده کردهاند که میتواند هزینه تولید را در مقیاس صنعتی کاهش دهد. چنین فناوریهایی میتوانند در آینده برای سیستمهای ذخیرهسازی انرژی تجدیدپذیر، پشتیبانی از شبکه برق و سایر کاربردهای انرژی مورد استفاده قرار گیرند.
با توجه به رشد سریع انرژیهای تجدیدپذیر، توسعه باتریهایی که علاوه بر عملکرد مناسب، هزینه کمتر و پایداری بیشتری داشته باشند، اهمیت روزافزونی پیدا کرده است.
نتایج آزمایش
نتایج اولیه نشان داد ظرفیت ذخیرهسازی این سامانه تقریباً دو برابر نمونه مشابه مبتنی بر سدیم خالص است. همچنین نیمسلول آزمایشی توانست بیش از هزار چرخه شارژ و دشارژ را با پایداری مناسب پشت سر بگذارد.
پژوهشگران سپس عملکرد این فناوری را در یک سلول کامل باتری مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج نشان داد باتری پس از ۲۰۰ چرخه شارژ و دشارژ همچنان حدود ۷۰ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ میکند؛ عملکردی که نسبت به نمونههای متداول سدیمی بهبود قابل توجهی محسوب میشود. این نتایج نشان میدهد که افزودن مقدار کمی لیتیوم میتواند محدودیتهای رایج باتریهای سدیمی را تا حد زیادی کاهش دهد، بدون آنکه وابستگی اصلی فناوری به سدیم از بین برود.
با وجود نتایج امیدوارکننده، این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد. در نمونه آزمایشگاهی از ژرمانیوم به عنوان ماده آند استفاده شده است؛ مادهای که هزینه بالایی دارد و برای تولید انبوه گزینه ایدهآلی محسوب نمیشود. به همین دلیل، محققان در حال بررسی مواد جایگزین مانند سیلیکون هستند که میتواند علاوه بر کاهش هزینهها، ظرفیت ذخیرهسازی بالاتری نیز فراهم کند. همچنین توسعه الکترولیتهای جدید و افزایش ولتاژ کاری باتری از دیگر اهداف تحقیقات آینده خواهد بود.
این پژوهش نشان میدهد که آینده باتریها لزوماً در کنار گذاشتن یک فناوری و جایگزینی کامل آن با فناوری دیگر نیست. در بسیاری از موارد، ترکیب هوشمندانه نقاط قوت فناوریهای مختلف میتواند راهکارهای کارآمدتر و پایدارتری برای ذخیرهسازی انرژی ایجاد کند و در صورت موفقیت در تجاریسازی، این فناوری میتواند در سامانههای ذخیرهسازی انرژی شبکه، نیروگاههای تجدیدپذیر و کاربردهایی که هزینه باتری اهمیت بالایی دارد مورد استفاده قرار گیرد.
منابع: