معرفی باتری سدیم یون

 مقدمه

باتری‌های لیتیومی در حال حاضر در بیشتر دستگاه‌های الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این باتری‌ها دارای چندین مزیت عمده هستند که شامل قابل حمل بودن، دوره عمر طولانی، سریع شارژ شدن و وزن سبک می‌شود. با اختراع باتری‌های لیتیوم یونی توسط گیلبرت نیوتون لوئیس در سال 1912 و سپس تجاری‌سازی آن‌ها در سال 1991 توسط شرکت سونی، باتری سدیم یون توجه کمتری را از لحاظ رقابت تجاری پیدا کرد. پیدایش باتری سدیم یون را می‌توان به تحقیقات الکترولیز سدیم هیدروکسید جناب هامفری دیوی در سال 1807 نسبت داد. با این حال، در سال‌های اخیر، توجه به باتری‌های دیگری از جمله باتری‌های سدیمی یا سدیم یون افزایش یافته است. باتری‌های سدیم یون، مشابه باتری‌های لیتیومی، از یک جفت الکترود مثبت و منفی تشکیل شده‌اند. با این حال، در باتری‌های سدیم یون، سدیم به جای لیتیوم در الکترود منفی استفاده می‌شود. این امر، به دلیل فراوانی سدیم در طبیعت و همچنین قیمت پایین‌تر آن نسبت به لیتیوم، سبب شده است که باتری‌های سدیم یون جایگزین مناسبی برای باتری‌های لیتیومی باشند. یکی از مهمترین مزایای باتری‌های سدیم یون، قیمت پایین آن‌ها است. در حالی که قیمت لیتیوم در سال‌های اخیر افزایش یافته است، قیمت سدیم تقریبا ثابت مانده است. به همین دلیل، تولید باتری‌های سدیم یون با قیمت پایین‌تر از باتری‌های لیتیومی امکان‌پذیر است. در علاوه، باتری‌های سدیم یون دارای چگالی انرژی پایین‌تری نسبت به باتری‌های لیتیومی هستند. این به معنی این است که در هر واحد حجم یا وزن، انرژی ذخیره شده کمتری در باتری‌های سدیم یون وجود دارد. با این حال، این مشکل توسط سرعت شارژ شدن رفع شده است. باتری‌های سدیم یون با سرعت شارژ شدن بالا، به سرعت پر شده و می‌توانند برای دستگاه‌هایی که نیاز به شارژ سریع دارند، مناسب باشند. با توجه به عملکرد مشابه باتری‌های لیتیوم یون، در باتری‌های سدیم یون در مرحله دشارژ (تخلیه)، یون‌های کمتر مقید سدیم از آند جدا شده و با عبور از الکترولیت به سمت کاتد می‌روند. حرکت یون مثبت به سمت کاتد در مدار داخلی باتری به معنی جریان الکترون‌ها از آند به کاتد در مدار خارجی است که این جریان انرژی موردنیاز مصرف‌کننده خارجی را تأمین می‌کند. در حین شارژ باتری نیز عکس این پدیده رخ می‌دهد.

شکل 1)  شارژ و تخلیه باتری سدیم یون.

همچنین، باتری‌های سدیم یون دارای مزایا دیگری هستند که می‌توان آن‌ها را به شرح زیر برشمرد:
1) قابلیت بازیافت و استفاده مجدد از آن‌ها: باتری‌های سدیم یون قابلیت بازیافت و استفاده مجدد از آن‌ها را دارند. این به این معنی است که پس از اتمام عمر مفید باتری، می‌توان آن‌ها را بازیافت کرده و مجدداً برای استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی استفاده کرد.
2) عمر طولانی: باتری‌های سدیم یون دارای عمر طولانی هستند و به راحتی می‌توانند برای چندین سال استفاده شوند.
3) محیط زیستی: باتری‌های سدیم یون دارای آلودگی کمتری نسبت به باتری‌های لیتیومی هستند. با توجه به اینکه سدیم یکی از عناصر فراوان در طبیعت است، باتری‌های سدیم یون می‌توانند به صورت پایدارتر با آلودگی‌زایی کمتر تولید شوند.
4) امنیت: باتری‌های سدیم یون از لحاظ امنیتی نیز مطلوب هستند. باتری‌های لیتیومی در مواردی ممکن است باعث حریق و انفجار شوند، اما باتری‌های سدیم یون این خطر را ندارند.
5) استفاده در شرایط اقلیمی متفاوت: باتری‌های سدیم یون در شرایط اقلیمی متفاوتی مانند شرایط گرم و سرد، عملکرد خوبی دارند. در حالی که باتری‌های لیتیومی در شرایط گرمای بالا عملکردشان ضعیف می‌شود و در شرایط سرد، شارژ دهی آن‌ها کندتر است. دمای عملکرد این باتری از منفی 20 درجه تا 60 درجه سانتی‌گراد است بنابراین نیاز به مدیریت اضافی گرمای تولیدی کمتری دارد.
6) هزینه پایین‌تر: باتری‌های سدیم یون هزینه کمتری نسبت به باتری‌های لیتیومی دارند، به خصوص در شرایطی که سدیم به عنوان منبع اصلی باتری استفاده می‌شود. از اوایل سال 2010 قیمت لیتیوم افزایش چشمگیری داشته است بنابراین توجه زیادی به سمت باتری‌های سدیم یون شده است. از نظر قیمت ذخیره هر کیلووات ساعت، باتری سدیم یون 40-77 دلار، باتری لیتیوم یون حدود 137 دلار و باتری سرب-اسید 100 تا 300 دلار هزینه دارد.
به طور کلی، باتری‌های سدیم یون به دلیل ویژگی‌هایی که ذکر شد، به یکی از پیشرفت‌های اخیر در زمینه تکنولوژی باتری‌ها تبدیل شده‌اند. در حالی که باتری‌های لیتیومی همچنان به عنوان پرکاربردترین نوع باتری‌ها در دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند، با پیشرفت‌های جدید در تکنولوژی باتری‌های سدیم یون، امیدواریم که در آینده نزدیک این نوع باتری‌ها نیز در دستگاه‌های الکترونیکی بیشتری مورد استفاده قرار گیرند. همچنین، باتری‌های سدیم یون به دلیل ویژگی‌هایی که ذکر شد، در برخی کاربردهای خاص مانند انباره‌سازی انرژی، اتومبیل‌های الکتریکی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از مزایای باتری‌های سدیم یون در انباره‌سازی انرژی این است که سدیم به راحتی قابل استخراج و برگشت‌پذیر است. همچنین، این باتری‌ها می‌توانند برای کاربردهایی که نیاز به نگهداری طولانی مدت انرژی دارند، مانند سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی، استفاده شوند. در کاربردهای اتومبیل‌های الکتریکی، باتری‌های سدیم یون باعث می‌شوند که وزن خودرو کاهش یابد و از طرفی، قابلیت شارژ شدن سریع‌تر این باتری‌ها باعث می‌شود که زمان شارژ خودروهای الکتریکی به شدت کاهش یابد.

 انواع

در باتری‌های سدیم یون، یون سدیم به صورت الکترولیت بین دو الکترود موجود در باتری جابجا می‌شود و باعث شارژ و دشارژ شدن باتری می‌شود. این نوع باتری به دلیل دارا بودن سدیم به عنوان منبع انرژی، می‌تواند در برابر شوک‌های مکانیکی و حرارتی مقاومت بیشتری نشان دهد و در برخی موارد بهتر از باتری‌های لیتیومی عمل کند. نوع اول باتری‌های سدیم-یون، باتری سدیم-گرافیت است که در آن از گرافیت به عنوان الکترود منفی و از سدیم به عنوان یون قابل شارژ استفاده می‌شود. این باتری‌ها به دلیل قیمت پایین و خاصیت بازیافت‌پذیری سدیم، به عنوان جایگزینی برای باتری‌های لیتیومی در انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی در نظر گرفته می‌شوند. نوع دوم باتری‌های سدیم-یون، باتری سدیم-آهن است که در آن از آهن به عنوان الکترود منفی و از سدیم به عنوان یون قابل شارژ استفاده می‌شود. این باتری‌ها با توجه به قابلیت انبار کردن بالای انرژی، برای کاربردهایی مانند شبکه‌های برق شهری و انبار کردن انرژی از مزرعه‌های بادی و خورشیدی استفاده می‌شوند. نوع سوم باتری‌های سدیم-یون، باتری سدیم-سولفور است که در آن از سولفور به عنوان الکترود مثبت و از سدیم به عنوان یون قابل شارژ استفاده می‌شود. این باتری‌ها به دلیل قابلیت انبار کردن انرژی بالاتر از باتری سدیم-گرافیت هستند و برای کاربردهایی مانند انبار کردن انرژی از منابع تجدیدپذیر و کاربردهای خانگی استفاده می‌شوند. نوع چهارم باتری‌های سدیم-یون، باتری سدیم-نیکل‌کلرید است که در آن از نیکل‌کلرید به عنوان الکترود مثبت و از سدیم به عنوان یون قابل شارژ استفاده می‌شود. این باتری‌ها دارای چگالی انرژی بالا و طول عمر بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیومی هستند. کاربردهای این باتری‌ها شامل ذخیره‌سازی انرژی در شبکه‌های برق و انرژی خورشیدی و همچنین در خودروهای الکتریکی می‌باشد. نوع پنجم باتری‌های سدیم-یون، باتری سدیم-آب است که در آن از آب به عنوان الکترولیت و از سدیم به عنوان یون قابل شارژ استفاده می‌شود. این باتری‌ها به دلیل سادگی و قیمت پایین، به عنوان جایگزینی برای باتری‌های لیتیومی در کاربردهای خانگی و مصارف روزمره مورد استفاده قرار می‌گیرند. در باتری‌های سدیم یون دیگر، باتری‌های سدیم یون فسفاتی وجود دارند که در آن از Na3V2(PO4)3 به عنوان الکترود منفی و LiFePO4 به عنوان الکترود مثبت استفاده می‌شود. این نوع باتری از پایداری بالایی برخوردار است و در کاربردهایی مانند خودروهای الکتریکی، سامانه‌های ذخیره انرژی و سیستم‌های UPS استفاده می‌شود.

 اجزاء باتری سدیم یون

باتری‌های یون سدیم (NIBs) از چندین بخش از جمله آند، کاتد، جداکننده و الکترولیت تشکیل شده‌اند. آند در NIBها معمولاً از مواد مبتنی بر کربن مانند کربن سخت، کربن نرم یا گرافن تشکیل شده است که می‌تواند به طور موثری یون‌های سدیم را در طول فرآیند شارژ و تخلیه به به چرخه درآورد. مواد کاتدی مورد استفاده در NIBها متنوع هستند و شامل اکسیدهای فلزات واسطه، فسفات‌ها و سولفیدها می‌شوند. در میان آن‌ها، اکسیدهای لایه‌ای، مانند NaCoO2 و Na0.7Ni0.3Mn0.7O2، عملکرد امیدوارکننده‌ای را از نظر ظرفیت بالا و پایداری طولانی چرخه نشان داده‌اند. جداکننده وظیفه جلوگیری از اتصال کوتاه و حفظ انتقال یون بین آند و کاتد را دارد. مواد جداکننده رایج در NIBها غشاهای مبتنی بر پلیمر مانند پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن یا مواد سرامیکی مانند سدیم بتا آلومینا هستند. الکترولیت یک جزء کلیدی در NIBها است که وظیفه هدایت یون‌های سدیم بین آند و کاتد را بر عهده دارد. برخلاف LIBها که از الکترولیت‌های آلی استفاده می‌کنند، NIBها معمولاً از الکترولیت‌های حالت جامد یا آبی استفاده می‌کنند که ایمن‌تر و دوستدار محیط زیست هستند. الکترولیت‌های حالت جامد مانند NASICON به دلیل رسانایی یونی بالا و پایداری عالی مورد توجه هستند، در حالی که الکترولیت‌های آبی مانند محلول‌های هیدروکسید سدیم یا محلول‌های سولفات سدیم ارزان‌تر و آسان‌تر ساخته می‌شوند. جمع‌کننده‌های جریان (کلکتور) وظیفه جابجایی حامل‌های بار داخل سلول باتری را به مدار بیرونی دارند که کلکتور جریان کاتد عموماً آلومینیوم و آند نیز مس یا آلومینیوم است.

شکل 2 دسته ‎بندی اجزاء باتری سدیم یون

آند

باتری سدیم از لحاظ نظری ظرفیت حدود 1165 میلی‌آمپرساعت بر گرم را دارد که در این ظرفیت بالا، آند باتری ناپایدار است و مشکلات لایه فصل مشترک الکترولیتی جامد (SEI) و رشد دندریتی سدیم، نتایج غیرعملی را نشان می‌دهند. در سال 1998 Ge و همکاران دریافتند که از نظر الکتروشیمیایی، گرافیت تنها ترکیب هشتم NaC64 را تشکیل می‌دهند. در سال 2001 تحقیقات دهن و همکاران نشان دادند که آند گرافیت ظرفیت کمی در محدوده 35 میلی‌آمپرساعت بر گرم دارد. درنتیجه تحقیقات به سمت آندهای غیر گرافیتی مانند آندهای آلیاژی و ترکیبی سوق پیدا کرد. در سال 2000 داهن و همکاران با کربن سخت ظرفیت باتری را تا 300 میلی‌آمپرساعت بر گرم بالا بردند که بعدها در نتیجه تحقیقات حوزه مواد کربنی ظرفیت در محدوده 200 تا 500 میلی‌آمپرساعت بر گرم شد. در سال 2011 جانسون و همکاران به کمک نانولوله تیتانیای بی‌شکل ظرفیت 150 میلی‌آمپرساعت بر گرم را بدست آوردند. در سال 2012، ماده تبدیلی (مبدل) فسفر قرمز ظرفیت بازگشت‌پذیر حدود 1890 میلی‌آمپرساعت بر گرم را نشان داد. یون سدیم نیاز به فاصله صفحات بیشتری برای نفوذ لایه‌ای دارد بنابراین در سال 2018 الشریف و همکاران نشان دادند که گرافن حکاکی‌شده لیزری بدست‌آمده از پلی‌ایمید با آلایش 13 درصدی نیتروژن ظرفیت بالایی حدود 425 میلی‌آمپرساعت بر گرم دارد که ناشی از فاصله بین صفحات بزرگ‌شده (002) تا حدود 3.8 آنگسترومی است. از مواد آلیاژی می‌توان به قلع، آنتیموان، فسفر، سیلیکون و بیسموت و سدیم اشاره نمود. دسته ترکیبات فلزی آند اغلب شامل ترکیبات برپایه تیتانیوم، قلع، آنتیموان، مولیبدن، نئوبیوم، کبالت، هماتیت، مگنتیت و ترکیبات سولفیدها، فسفیدها و سلنایدها است. قابل توجه است که ظرفیت باتری‌های با آند ترکیبات فلزات انتقالی بیشتر است اما بازده کلمبی اولیه کمتری دارد. ترکیبات MXenes یک خانواده جدید دوبعدی از مواد آلی است که در باتری‌ها استفاده می‌شود. گروه‌های عملکردی سطح و گونه‌های فلزات واسطه می‌توانند به طور قابل توجهی بر ولتاژ و ظرفیت MXene تأثیر بگذارند، در حالی که MXene با حذف اکسیژن منجر به بالاترین ظرفیت می‌شود. امیدوارکننده‌ترین گروه از مواد M2C از نظر ولتاژ آند و ظرفیت وزنی (بیشتر از 400 میلی‌آمپر ساعت در گرم) حاوی ترکیبات فلزات سبک انتقالی (به‌عنوان مثال Sc، Ti، V و Cr) با حذف اکسیژن یا سطوح غیرعملکردی هستند. به‌عنوان مثال آند Ti2CTx MXene با کاتد Na2Fe2(SO4)3 توان ویژه 1.4 کیلووات بر گرم، بازده کلمبی 99.7درصد در چرخه ظرفیت 600 میلی‌آمپر بر گرم را نشان داده است. از مزایای آندهای آلی، به اصلاح دقیق ساختار، انعطاف‌پذیری، بازیافت‌پذیری، سنتز ساده، هزینه کمتر و ظرفیت بالا و از معایب آن به هدایت الکتریکی پایین می‌توان اشاره نمود. هدایت الکتریکی پایین منجر افزودن عوامل افزودنی می‌شود. دی‌سدیم رودیزونات (N2C6O6) از کاندیداهای جالب با ظرفیت 484 میلی‌آمپرساعت بر گرم با چگالی انرژی 726 وات‌ساعت بر کیلوگرم است که تشکیل پیوسته نانوساختارها در انتقال فازی گاما به آلفا منجر به فعال‌شدن مکانیزم ذخیره چهار سدیم می‌شود.

مراکز تحقیقاتی فعال

یکی از شرکت‌هایی که به تولید باتری‌های سدیم یون می‌پردازد، شرکت فرانسوی Saft است. این شرکت اولین باتری سدیم یون خود را در سال ۲۰۱۵ معرفی کرد و در حال حاضر، در حال توسعه و بهبود این نوع باتری است. همچنین، شرکت‌های دیگری نیز مانند شرکت چینی Envision AESC و شرکت آلمانی Farasis Energy در حال توسعه و تولید باتری‌های سدیم یون هستند. محصولات باتری سدیم-یون توسط شرکت‌های مختلفی تولید می‌شود. برخی از شرکت‌های مهم تولیدکننده باتری سدیم-یون عبارتند از CATL، FARADION،Natron Energy، HiNa BATTERY، RONBAY TECHNOLOGY، ZOOLNASH، NATRIUM، KISHIDA CHEMICAL، Panasonic، MITSUBISHI CHEMICAL. در فوریه 2023، شرکت چینی فناوری باتری HiNa، یک باتری یون سدیم 140 وات ساعت بر کیلوگرم را برای اولین بار در یک خودروی الکتریکی آزمایشی قرار داد. همچنین یک سازنده باتری به نام Pylontech اولین گواهی باتری یون سدیم را از TÜV Rheinland اخذ نمود. از جمله مراکز تحقیقاتی پیشرفته در این زمینه می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
1. فرادیون (Faradion) – انگلستان
2. تیامت انرژی (Tiamat Energy) – انگلستان
3. آکیون انرژی (Aquion Energy) – ایالات متحده آمریکا
4. نگزئون (Nexeon) – انگلستان
5. زن انرژی تکنولوژی (ZEN Energy Technologies) – استرالیا
6. پی‌ان‌ان‌ال (PNNL) – ایالات متحده آمریکا
7. شرکت باتری سدیم-یون (Sodium-ion Battery Corp.) – کانادا
8. شرکت خلیج نفت با همکاری شرکت چینی کتل (CITIC) (Gulf Oil with CITIC) – عربستان سعودی
9. شرکت چینی پیشرو در تولید باتری‌های سدیم-یون Qingdao Huahai New Energy Technology – چین
10. شرکت کاتل (CATL) – چین

 چالش‌ها

با توجه به جرم مولی حدود سه برابری سدیم نسبت به لیتیوم، انتظار می‌رود باتری سدیم سنگین‌تر از باتری لیتیوم یون باشد و همچنین شعاع کاتیونی 1.06 آنگسترومی سدیم نسبت به شعاع 0.76 آنگسترومی لیتیوم، باعث افزایش حجم به ازای افزایش توان را منجر شود بدین معنی که چگالی انرژی حجمی و وزنی باتری سدیم یون کمتر است. استفاده از مواد کمیاب لیتیوم، کبالت و نیکل در باتری‌های امروزی رایج است اما می‌توان از سدیم، آهن و منگنز بجای آن‌ها استفاده نمود که هزینه‌ها را تا حدود 60% کاهش می‌دهد.

نتیجه‌گیری

در نهایت، باید گفت که با توجه به مزایای باتری‌های سدیم یون، این باتری‌ها به عنوان یک جایگزین قوی برای باتری‌های لیتیومی در برخی کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما باید توجه داشت که هنوز نیاز به تحقیقات بیشتر در زمینه باتری‌های سدیم یون و بهبود عملکرد و کارایی آن‌ها وجود دارد و به همین دلیل، این باتری‌ها در برخی کاربردهایی مانند دستگاه‌های الکترونیکی نوید امیدوارکننده‌ای هستند که با پیشرفت تکنولوژی و تحقیقات بیشتر در زمینه باتری‌های سدیم یون، این باتری‌ها در آینده می‌توانند جایگزین قوی برای باتری‌های لیتیومی شوند. با بهبود عملکرد و کارایی باتری‌های سدیم یون، می‌توان به دست آورد که در کاربردهایی مانند اتومبیل‌های الکتریکی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، این باتری‌ها به جای باتری‌های لیتیومی مورد استفاده قرار بگیرند. از سوی دیگر، باید توجه داشت که در حال حاضر، باتری‌های سدیم یون هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارند و عمر کوتاه آن‌ها در مقایسه با باتری‌های لیتیومی، یکی از معایب آن‌ها است. همچنین، با توجه به میزان تولید سدیم در دنیا که به نسبت میزان تولید لیتیوم کمتر است، احتمالاً در ابتدا قیمت باتری‌های سدیم یون بیشتر از باتری‌های لیتیومی خواهد بود. یکی از چالش‌های اصلی باتری‌های سدیم یون، مشکلات مربوط به ایستایی سلول‌های باتری و عمر کوتاه آن‌ها است. دیگر چالش‌های مربوط به باتری‌های سدیم یون شامل پایداری سیستم‌های الکترولیتی، شدت جریان بالا، ترمیستوری نامناسب و عدم توانایی به خوبی انتقال بار در مقابل نفوذ الکترولیت هستند. این موضوعات می‌تواند باعث کاهش عملکرد باتری‌های سدیم یون شود و نیاز به پیشرفت‌های فنی و تکنیکی بیشتر در این زمینه دارد. به عنوان مثال، استفاده از مواد آندی جدید و بهینه شده، بهبود شیمی الکترولیت و افزایش جذب الکترون، تولید الکترود‌های نانوساختار و تکنولوژی‌های پوشش‌دهی الکترود با استفاده از لایه‌های نازک، بهبود عملکرد باتری‌های سدیم یون را افزایش خواهد داد.