باتری سدیم یونی، عملکرد و مزایای آن

باتری سدیم یونی (NIB) نوعی باتری قابل شارژ است، درست مشابه باتری لیتیوم-یون با این تفاوت که از یون‌های سدیم Na^+ به عنوان حامل‌های بار استفاده می‌کند. اساس کار و ساختار سلول آن تقریباً مشابه همان باتری‌های لیتیوم-یونی است که در سطح بازارهای جهانی به وفور یافت می‌شوند فقط به جای ترکیبات لیتیومی، ترکیبات سدیمی در آن‌ها به کار رفته است.

در دهه‌های 2010 و 2020 باتری‌های سدیم یونی به‌عنوان یک فناوری مکمل احتمالی برای باتری‌های لیتیوم یونی، هم از نظر آکادمیک و هم تجاری بسیار مورد توجه قرار گرفتند، سه دلیل عمدۀ این امر عبارتند از : پراکندگی جغرافیایی نامتوازن، تأثیر زیاد عوامل زیست محیطی و هزینۀ بالای عناصر مورد نیاز برای ساخت باتری های لیتیوم یونی مانند لیتیوم، کبالت، مس و نیکل که برای ساخت بسیاری از انواع باتری‌های سدیم یونی نیازی به این عناصر نیست.[1]

مهم‌ترین مزیت باتری‌های سدیم یونی، فراوانی زیاد سدیم در طبیعت است. این امر باعث شده است تا هزینۀ تولید تجاری باتری‌های سدیم یونی نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی بسیار پایین‌تر باشد.[2]
از سال 2020، باتری‌های سدیم یونی سهم بسیار کمی از بازار باتری‌ها دارند. این فناوری در گزارش ادارۀ اطلاعات انرژی ایالات متحده در میان فناوری‌های ذخیره سازی باتری ذکر نشده است.[3] هیچ یک از خودروهای الکتریکی از باتری‌های سدیم یونی استفاده نمی‌کنند. از دشواری‌ها و چالش‌های پیش رو برای پذیرش این فناوری می‌توان به چگالی پایین انرژی و تعداد محدود چرخه‌های شارژ-تخلیه این باتری ها اشاره کرد. [4]

توسعۀ باتری‌های سدیم یونی در کنار باتری‌های لیتیوم یونی در دهۀ 1970 و اوایل دهۀ 1980 صورت گرفت. اگرچه، در دهۀ 1990، مشخص شد که باتری‌های لیتیوم یونی از نظر تجاری آیندۀ نوید بخش تری دارند، و این امر سبب شد که توجه کمتری به باتری‌های سدیم-یونی معطوف شود [6][5].

در اوایل دهۀ 2010 باتری‌های سدیم-یونی مجددا مورد توجه محققان قرار گرفتندکه عمدتاً ناشی از افزایش تقاضا و هزینۀ مواد خام باتری‌های لیتیوم یونی بود.[5]

اساس عملکرد باتری سدیم یونی

سلول‌های سدیم یونی شامل یک کاتد مبتنی بر مواد حاوی سدیم، یک آند (لزوماً مبتنی بر سدیم نیست) و یک الکترولیت مایع حاوی نمک‌های سدیم در حلال‌های پروتیک یا آپروتیک است. در طول شارژ، یون‌های سدیم از کاتد خارج شده و به آند وارد می‌شوند در حالی که الکترون‌ها در طول مدار خارجی حرکت می کنند؛ در حین تخلیه، عکس این فرآیند رخ می‌دهد یعنی یون‌های سدیم از آند خارج شده و مجدداً به کاتد وارد می‌شوند و الکترون‌ها در مدار خارجی حرکت می‌کنند.

مواد باتری سدیم یونی

از آنجایی که خواص فیزیکی و الکتروشیمیایی سدیم با خواص لیتیوم متفاوت است، موادی که عموماً برای باتری‌های لیتیوم یونی یا حتی باتری‌های مشابه حاوی سدیم استفاده می‌گردد، همیشه برای باتری‌های سدیم یونی مناسب نیستند.[7]

آند

آند مورد استفاده در باتری‌های لیتیوم یونی موجود در بازار عموما از جنس گرافیت است. این نوع آند را نمی‌توان در باتری‌های سدیم یونی استفاده نمود زیرا قابلیت ذخیرۀ یون سدیم (بزرگ‌تر از لیتیوم است) را ندارد. در عوض، یک مادۀ کربنی نامنظم دارای یک ساختار بی شکل کربنی غیرقابل گرافیتیزه، غیر بلوری (به نام “کربن سخت”) را می توان به عنوان آند در باتری های سدیم-یونی استفاده کرد[8]. اولین سلول سدیم یونی که در آن، کربن سخت به کار رفته بود در سال 2003 رونمایی شد که ولتاژ متوسط بالایی، برابر با 3.7 V را در طول تخلیه نشان ‌داد.[9]
در حالی که کربن سخت به دلیل قابلیت‌هایی که دارد از جمله ظرفیت بالا، پتانسیل‌های کاری پایین و پایداری خوب در چرخه، به عنوان محبوب‌ترین آند برای سلول های سدیمی شناخته شده است، از مواد دیگر هم به عنوان آند استفاده شده است.

در سال 2015 کشف شد که گرافیت می‌تواند سدیم را از طریق جاسازی در حلال در الکترولیت‌های مبتنی بر اتر ذخیره کند: در این حالت ظرفیتی حدود 100 mAh/g با پتانسیل‌های کاری نسبتاً بالا بین 0 تا 1.2 V در مقایسه با Na/〖Na〗^+ به دست آمد.[10]

برخی از فازهای تیتانات سدیم مانند Na_2 〖Ti〗_3 O_7 [13] [12] [11] یا NaTiO_2 [14] می‌توانند ظرفیت‌هایی حدود 90 تا 180 mAh/g را در پتانسیل‌های کاری پایین (<1 V با مقایسه در Na/〖Na〗^+) ارائه دهند، اگرچه پایداری چرخه‌ها در حال حاضر تنها محدود به چند صد چرخه شده است.

گزارش‌های متعددی از ذخیره‌سازی سدیم توسط مواد آندی با یک مکانیسم واکنش آلیاژی و یا مکانیسم واکنش تبدیل وجود دارد، [5] اگرچه تنش و فشار شدیدی که در طی چرخه‌های ذخیره‌سازی مکرر بر مواد وارد می‌شود، پایداری چرخۀ آنان را به شدت محدود می‌سازد، به ویژه در آرایش‌های سلولی بزرگ، و این خود یک چالش فنی مهم است که باید با یک رویکرد مقرون به صرفه بر آن پیروز شد. در دسامبر 2020 اعلام شد که محققان دانشگاه علوم توکیو با کمک ذرات منیزیم در اندازۀ نانو به 478 mAh/g دست یافتند. [15]
برای افزایش چگالی انرژی در باتری‌های آزمایشی سدیم یونی، از ذرات ژانوس گرافن استفاده شده است. یک طرف سایت (یا مکان) های واکنش را فراهم می‌کند در حالی که دیگری جداسازی‌های میان لایه‌ای را انجام می‌دهد. چگالی انرژی به 337 mAh/g رسید.[16]

کاتد

از سال 2011 پیشرفت‌های شگرفی در ابداع کاتدهای سدیم-یونی با چگالی انرژی بالا رخ داده است. درست مثل همۀ کاتدهای لیتیوم-یونی، کاتدهای سدیم-یونی نیز سدیم را از طریق مکانیسم واکنش جاسازی ذخیره می‌کنند.

کاتدهای مبتنی بر اکسید فلزات واسطۀ سدیم، به دلیل برخورداری از چگالی، پتانسیل عملیاتی و ظرفیت های بالا، بیشترین توجه را به خود جلب کرده اند. به دلیل تمایل به پایین نگه داشتن هزینه‌ها، تحقیقات قابل توجهی در راستای کاهش یا عدم استفاده از عناصر پرهزینه‌ای همچون Co، Cr، Ni یا V در اکسیدها اجرا شده است.

در سال 2012 اثبات شد که یک اکسید 〖Na〗_(2/3) 〖Fe〗_(1/2) 〖Mn〗_(1/2) O_2 نوع P2 از منابع آهن و منگنز فراوان در طبیعت mAh/g 190را در ولتاژ تخلیۀ متوسط 2.75 V در مقایسه با Na/〖Na〗^+با استفاده از زوج ردوکس 〖Fe〗^(3+/4+) به طور برگشت پذیر ذخیره سازی می کند. چنین چگالی انرژی برابر یا بهتر از کاتدهای لیتیوم یونی بازاری مانند LiFe〖PO〗_4 یا Li〖Mn〗_2 O_4است. [17]

با این حال، ماهیت ناکارامد و ناقص سدیمی آن به معنای قربانی کردن چگالی انرژی در سلول‌های پُر عملی بود. برای غلبه بر مشکل ناکارامدی ذاتی سدیم در اکسیدهای P2، تلاش‌ قابل توجهی در تشکیل اکسیدهای غنی‌تر سدیم صورت گرفت.

در سال 2015 نشان داده شد که یک نوع ترکیبی P3/P2/O3 از 〖Na〗_0.76 〖Mn〗_0.5 〖Ni〗_0.3 〖Fe〗_0.1 〖Mg〗_0.1 O_2 میتواند mAh/g 140 را در ولتاژ تخلیۀ متوسطی برابر با 3.2 V در مقایسه با Na/〖Na〗^+ تولید ‌کند.[18]

به طور ویژه، اکسید نوع O3 از 〖NaNi〗_(1/4) 〖Na〗_(1/6) 〖Mn〗_(2/12) 〖Ti〗_(4/12) 〖Sn〗_(1/2) O_2 می‌تواند 160 mAh/g را در ولتاژ متوسط 3.22 V در مقایسه با Na/〖Na〗^+ ارائه دهد، [19] در حالی که یک سری اکسیدهای مبتنی بر Ni دوپ شده از استوکیومتری 〖Na〗_a 〖Ni〗_((1-x-y-z)) 〖Mn〗_x 〖Mg〗_y 〖Ti〗_z O_2 می تواند 157 mAh/g را در یک “سلول پُر ” سدیم-یونی با آند کربن سخت با استفاده از جفت ردوکس 〖Ni〗^(2+/4+) در ولتاژ تخلیۀ متوسط 3.2 V ارائه دهد. [20] این عملکرد در پیکربندی سلول پُر بهتر یا همتراز با سیستم های لیتیوم یونی بازاری موجود است.

به غیر از اکسیدهای کاتدی، پژوهشگران به تولید کاتدهای مبتنی بر پلی آنیون‌ها نیز علاقه و توجه نشان داده‌اند. در حالی که انتظار می‌رفت این کاتدها نسبت به کاتدهای مبتنی بر اکسید، چگالی کمتری داشته باشند (که بر چگالی انرژی باتری یون سدیمی تولید شده تأثیر منفی می‌گذارد) به دلیل حجم زیاد آنیون، در مورد بسیاری از این کاتدها، پیوند کووالانسی قوی تر پلی آنیون به معنای داشتن یک کاتد قوی تر است که بر عمر و ایمنی چرخه تأثیر مثبت خواهد داشت.

در میان این کاتدهای مبتنی بر پلی آنیون، سدیم وانادیم فسفات [21] و فلوروفسفات [22] یک پایداری چرخۀ عالی را از خود نشان داده‌اند و در مورد دومی یعنی فلوروفسفات، در ولتاژهای تخلیۀ متوسط بالا (3.6 V در مقابل Na/〖Na〗^+ ) از ظرفیت قابل قبول و بالایی برابر با (120 mAh/g) برخوردارند.

همچنین گزارشات امیدوارکننده‌ای در مورد استفاده از پروسین بلو‌‌های مختلف و مشتقات پروسین بلو‌ها (PBAها) به عنوان کاتدهای یون سدیم آمده است، به عنوان مثال: اختراع منشور لوزی 〖Na〗_2 MnFe〖(CN)〗_6 به خصوص و جذاب که ظرفیتmAh/g 150-160 را نشان می‌دهد و ولتاژ تخلیۀ متوسط آن بربرا با 3.4 V است [26][25][24] و منشور لوزی پروسین سفید 〖Na〗_1.88(5) Fe[Fe(CN)_6 ].0.18(9) H_2 O با نمایش ظرفیت اولیه‌ای برابر با 158 mAh/g و حفظ 90 درصد ظرفیت پس از 50 سیکل (چرخه). [27]

الکترولیت ها

باتری‌های سدیم-یونی هم می‌توانند از الکترولیت‌های آبی (آب پوشیده) و هم غیر آبی استفاده کنند. پنجرۀ پایداری الکتروشیمیایی محدود آب، باعث می‌شود باتری‌های‌ سدیم-یونی در هنگام استفاده از الکترولیت‌های آبی ولتاژ کمتر و چگالی انرژی محدودتری داشته باشند.

برای گسترش دامنۀ ولتاژ باتری‌های سدیم-یونی، می‌توان از همان حلال‌های آپروتیک قطبی استر کربنات غیرآبی استفاده نمود که در الکترولیت‌های لیتیوم یونی به کار رفته است مانند اتیلن کربنات، دی متیل کربنات، دی اتیل کربنات، کربنات پروپیلن و غیره.

پرکاربردترین الکترولیت غیرآبی موجود در حال حاضر از سدیم هگزافلوئورو فسفات به عنوان نمک حل شده در مخلوطی از این حلال‌ها استفاده می کند. به علاوه می‌توان از افزودنی‌های الکترولیت نیز استفاده کرد که این افزودنی‌ها می‌توانند بسیاری از معیارهای عملکرد باتری را بهبود بخشند. سدیم به عنوان یک مادۀ کاتدی برای باتری‌های جریان نیمه جامد نیز به کار می‌رود.

مزایا و معایب باتری سدیم یونی

باتری‌های سدیم-یونی در مقایسه با فناوری‌های باتری رقیب، دارای چندین مزیت هستند. در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یونی، باتری‌های سدیم-یونی موجود، دارای هزینه‌ای تقریباً بالاتر، چگالی انرژی کمی پایین‌تر، قابلیت‌های ایمنی بهتر و قابلیت‌های انتقال قدرت مشابهی هستند.

اگر هزینۀ باتری‌های سدیم- یونی بعدها اندکی کاهش یابد، این باتری‌ها برای استفاده در ذخیره‌سازهای خانگی (که برای این کاربردها وزن باتری مهم نیست) محبوب‌تر خواهند شد.
اگر علاوه بر بحث کاهش هزینه، چگالی انرژی نیز افزایش یابد، می‌توان از این باتری‌ها برای وسایل نقلیۀ الکتریکی و ابزارهای برقی و اساساً هر کاربرد دیگری که در حال حاضر باتری‌های لیتیوم یونی در آن به کار رفته، مورد استفاده قرار گیرند.
جدول زیر نحوۀ عملکرد NIB ها را به طور کلی با دو فناوری باتری قابل شارژ موجود در بازار مقایسه می‌کند: باتری لیتیوم یون و باتری سرب- اسیدی قابل شارژ.[20][28]
جدول 1 مقایسه باتری سدیم یونی با باتری های لیتیومی و سرب اسیدی

[WPSM_AC id=7391]