آنا گزارش می دهد
یک استادیار دانشگاه آزاد اسلامی در گفت‌وگو با آناتک:
حجت الاسلام کاشانی در جلسه سوم «مبانی فاطمیه»:
باتری‌های سدیم‌یونی چگونه با نمونه‌های لیتیوم‌یونی رقابت می‌کنند؟
به گزارش خبرگزاری آنا؛ گسترش استفاده از خودروهای برقی، افزایش ظرفیت مراکز داده و توسعه سامانه‌های ذخیره انرژی، تقاضا برای باتری‌های قابل شارژ را در سراسر جهان افزایش داده و شرکت‌های فناوری را به بررسی روش‌های جدید ذخیره‌سازی برق سوق داده است. باتری‌های لیتیوم‌یونی طی چند دهه گذشته به دلیل چگالی انرژی بالا، عمر مناسب و قابلیت شارژ مجدد، به فناوری غالب در این صنعت تبدیل شده‌اند، اما وابستگی به مواد اولیه خاص و محدودیت‌های زنجیره تأمین، زمینه توسعه گزینه‌های جایگزین را فراهم کرده است. باتری‌های سدیم‌یونی یکی از مهم‌ترین فناوری‌های در حال توسعه در این حوزه هستند که از نظر اصول عملکرد شباهت زیادی به نمونه‌های لیتیوم‌یونی دارند، اما به‌جای استفاده از یون‌های لیتیوم برای انتقال و ذخیره انرژی، از یون‌های سدیم بهره می‌برند. این تفاوت در ترکیب شیمیایی می‌تواند بر وزن، ظرفیت ذخیره‌سازی، هزینه تولید، ایمنی و عملکرد باتری در شرایط محیطی مختلف تأثیر بگذارد.
هر دو فناوری انرژی الکتریکی را از طریق جابه‌جایی یون‌ها میان دو الکترود مثبت و منفی ذخیره و آزاد می‌کنند. هنگام شارژ، یون‌ها از الکترود مثبت به سمت الکترود منفی حرکت می‌کنند و هنگام تخلیه شارژ، این فرایند در جهت مخالف انجام می‌شود تا جریان الکتریکی موردنیاز دستگاه تأمین شود. تفاوت اصلی به نوع یون‌ها و موادی مربوط می‌شود که برای ساخت الکترودها و الکترولیت به کار می‌روند. یون‌های سدیم در مقایسه با یون‌های لیتیوم بزرگ‌تر و سنگین‌تر هستند و جابه‌جایی و ذخیره آن‌ها در ساختار مواد الکترودی به فضای بیشتری نیاز دارد. باتری‌های سدیم‌یونی همچنین معمولاً با ولتاژ پایین‌تری فعالیت می‌کنند و ترکیب این عوامل باعث می‌شود در شرایط فعلی، میزان انرژی ذخیره‌شده در واحد وزن یا حجم آن‌ها کمتر از نمونه‌های پیشرفته لیتیوم‌یونی باشد.
چگالی انرژی مهم‌ترین برتری باتری‌های لیتیوم‌یونی است
چگالی انرژی یکی از اصلی‌ترین معیار‌های مقایسه فناوری‌های باتری محسوب می‌شود و نشان می‌دهد یک باتری در وزن یا حجم مشخص چه مقدار انرژی می‌تواند ذخیره کند. این ویژگی به‌خصوص در خودروهای برقی، تلفن‌های هوشمند و تجهیزات قابل حمل اهمیت زیادی دارد، زیرا افزایش ظرفیت باتری بدون افزایش وزن و ابعاد می‌تواند زمان استفاده یا مسافت قابل پیمایش را بیشتر کند. سلول‌های پیشرفته سدیم‌یونی در حال حاضر به چگالی انرژی حدود ۱۷۵ وات‌ساعت بر کیلوگرم رسیده‌اند، در حالی که نمونه‌های جدید لیتیوم آهن فسفات یا LFP می‌توانند تا حدود ۲۰۵ وات‌ساعت بر کیلوگرم انرژی ذخیره کنند. باتری‌های لیتیوم‌یونی مبتنی بر ترکیب نیکل، منگنز و کبالت یا NMC نیز در نمونه‌های پیشرفته به چگالی انرژی حدود ۲۵۵ تا ۲۶۵ وات‌ساعت بر کیلوگرم دست یافته‌اند که اختلاف قابل‌توجهی با فناوری سدیم‌یونی دارد.
چگالی انرژی پایین‌تر به این معناست که برای ذخیره مقدار یکسانی انرژی، باتری سدیم‌یونی معمولاً به وزن یا فضای بیشتری نیاز خواهد داشت. این محدودیت در خودروهای برقی می‌تواند به کاهش مسافت قابل پیمایش منجر شود، زیرا فضای اختصاص‌یافته به مجموعه باتری و حداکثر وزن قابل تحمل خودرو محدود است. برآورد‌های آژانس بین‌المللی انرژی نشان می‌دهد یک شاسی‌بلند برقی معمولی با باتری سدیم‌یونی می‌تواند در شرایط متعارف به بردی حدود ۳۵۰ کیلومتر برسد، در حالی که باتری‌های لیتیوم‌یونی امکان دستیابی به برد تقریبی ۴۰۰ تا ۶۰۰ کیلومتر را فراهم می‌کنند. البته این ارقام به طراحی خودرو، ظرفیت مجموعه باتری و شرایط رانندگی وابسته هستند و شرکت چینی سی‌ای‌تی‌ال با توسعه فناوری جدید خود مدعی دستیابی به برد بیش از ۴۰۰ کیلومتر در برخی خودروهای مجهز به باتری سدیم‌یونی شده است. با وجود این پیشرفت‌ها، فناوری لیتیوم‌یونی همچنان برای خودرو‌هایی که به برد طولانی و وزن کمتر نیاز دارند، برتری محسوسی دارد.
فراوانی سدیم می‌تواند هزینه تولید را کاهش دهد
مهم‌ترین مزیت اقتصادی باتری‌های سدیم‌یونی به فراوانی ماده اصلی آن‌ها در طبیعت مربوط می‌شود. سدیم یکی از عناصر فراوان پوسته زمین است و منابع آن در مناطق جغرافیایی گسترده‌ای وجود دارد، در حالی که تأمین لیتیوم و فرآوری مواد موردنیاز برای تولید باتری‌های لیتیوم‌یونی به زنجیره تأمین تخصصی‌تری وابسته است. استفاده از سدیم می‌تواند در بلندمدت وابستگی تولیدکنندگان به لیتیوم را کاهش دهد و امکان تنوع‌بخشی به منابع مواد اولیه را فراهم کند. برخی ترکیب‌های شیمیایی سدیم‌یونی همچنین به استفاده از گرافیت در الکترود منفی نیاز ندارند و به‌جای آن از موادی مانند کربن سخت استفاده می‌کنند. این ویژگی می‌تواند فرصت‌هایی برای کاهش وابستگی به بعضی مواد معدنی راهبردی ایجاد کند، هرچند حذف لیتیوم از ساختار باتری به معنای حذف کامل نیاز به مواد معدنی خاص نیست.
تولید باتری‌های سدیم‌یونی همچنان به مواد دیگری مانند نیکل و منگنز وابسته است و استخراج، فرآوری و تأمین صنعتی این مواد نیز می‌تواند با محدودیت‌هایی همراه باشد. فراوانی سدیم به‌تنهایی تضمین نمی‌کند که باتری نهایی ارزان‌تر از نمونه لیتیوم‌یونی تولید شود، زیرا هزینه ساخت به عواملی مانند مواد الکترودی، فرایند‌های تولید، تجهیزات کارخانه، حجم سفارش‌ها و میزان توسعه زنجیره تأمین بستگی دارد. صنعت باتری‌های لیتیوم‌یونی طی چند دهه گذشته به مقیاس تولید بسیار بزرگی رسیده و شرکت‌های فعال در این حوزه توانسته‌اند با بهبود فرایند‌ها و افزایش ظرفیت کارخانه‌ها، هزینه تولید را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهند. باتری‌های سدیم‌یونی هنوز از چنین مزیتی برخوردار نیستند و حتی در برخی بازارها، هزینه تولید آن‌ها در شرایط فعلی از باتری‌های لیتیوم آهن فسفات بیشتر است. بنابراین، مزیت اقتصادی سدیم بیش از آنکه به قیمت کنونی محصولات مربوط باشد، به ظرفیت این فناوری برای کاهش هزینه‌ها در صورت گسترش تولید صنعتی وابسته است.
باتری‌های سدیم‌یونی در سرمای شدید عملکرد بهتری دارند
عملکرد در دماهای پایین یکی از حوزه‌هایی است که باتری‌های سدیم‌یونی می‌توانند نسبت به بسیاری از نمونه‌های لیتیوم‌یونی برتری داشته باشند. کاهش دما معمولاً سرعت واکنش‌های الکتروشیمیایی داخل باتری را محدود می‌کند و مقاومت داخلی سلول را افزایش می‌دهد؛ وضعیتی که می‌تواند ظرفیت قابل استفاده، توان خروجی و سرعت شارژ را کاهش دهد. این مشکل در خودروهای برقی اهمیت زیادی دارد، زیرا باتری باید علاوه بر تأمین انرژی موتور، بخشی از ظرفیت خود را برای گرم کردن کابین و مدیریت دمای اجزای خودرو مصرف کند. باتری‌های سدیم‌یونی جدید در برخی ترکیب‌های شیمیایی می‌توانند بخش بیشتری از ظرفیت و توان خروجی خود را در دماهای بسیار پایین حفظ کنند و به همین دلیل برای مناطق سردسیر، تجهیزات صنعتی و خودرو‌هایی که در زمستان‌های شدید فعالیت دارند، گزینه مناسبی محسوب می‌شوند.
آژانس بین‌المللی انرژی اعلام کرده است که نسل جدید باتری‌های سدیم‌یونی در دمای منفی ۴۰ درجه سانتی‌گراد می‌تواند حدود ۹۰ درصد ظرفیت اسمی خود را حفظ کند؛ عملکردی که در مقایسه با بسیاری از باتری‌های لیتیوم‌یونی، به‌ویژه نمونه‌های LFP، برتری قابل‌توجهی دارد. شرکت سی‌ای‌تی‌ال نیز درباره باتری سدیم‌یونی نکسـترا اعلام کرده که این محصول در دمای منفی ۳۰ درجه سانتی‌گراد می‌تواند نزدیک به سه برابر نمونه‌های LFP مشابه توان تخلیه ارائه دهد و حتی در دمای منفی ۵۰ درجه نیز خروجی الکتریکی پایداری داشته باشد. البته عملکرد واقعی باتری‌ها در سرما به نوع ترکیب شیمیایی، طراحی مجموعه، سامانه مدیریت حرارتی و شرایط استفاده بستگی دارد و نمی‌توان این ارقام را به تمام باتری‌های سدیم‌یونی تعمیم داد. با این حال، حفظ ظرفیت در سرمای شدید می‌تواند یکی از مهم‌ترین عوامل گسترش استفاده از این فناوری در بازار خودروهای برقی مناطق سردسیر باشد.
احتمال فرار حرارتی در برخی باتری‌های سدیم‌یونی کمتر است
ایمنی یکی دیگر از معیار‌های مهم در انتخاب فناوری باتری است و به‌ویژه در خودروهای برقی، مراکز داده و سامانه‌های ذخیره انرژی بزرگ اهمیت دارد. باتری‌های لیتیوم‌یونی در صورت آسیب فیزیکی، نقص داخلی، اتصال کوتاه یا افزایش بیش از حد دما ممکن است دچار پدیده‌ای به نام فرار حرارتی شوند. در این وضعیت، افزایش دما موجب آغاز واکنش‌های شیمیایی گرمازا می‌شود و این واکنش‌ها می‌توانند به افزایش بیشتر دما، خروج گاز‌های قابل اشتعال و در شرایط شدید به آتش‌سوزی منجر شوند. شدت این خطر در ترکیب‌های مختلف لیتیوم‌یونی یکسان نیست و نمونه‌های LFP معمولاً پایداری حرارتی بیشتری نسبت به برخی باتری‌های مبتنی بر نیکل و کبالت دارند. باتری‌های سدیم‌یونی نیز بسته به نوع مواد به‌کاررفته می‌توانند پایداری حرارتی مناسبی ارائه دهند و در بعضی طراحی‌ها احتمال آغاز یا گسترش فرار حرارتی را کاهش دهند.
پایداری حرارتی بهتر به معنای ضدحریق بودن باتری‌های سدیم‌یونی نیست و این فناوری نیز برای عملکرد ایمن به سامانه‌های حفاظتی و کنترل دقیق دما نیاز دارد. برخی ترکیب‌های سدیم‌یونی همچنان از الکترولیت‌های آلی قابل اشتعال استفاده می‌کنند و امکان بروز واکنش‌های خطرناک در شرایط غیرعادی وجود دارد. با این حال، توسعه‌دهندگان تلاش می‌کنند با استفاده از مواد پایدارتر و طراحی مناسب الکترودها، خطر افزایش کنترل‌نشده دما را کاهش دهند. شرکت سی‌ای‌تی‌ال هنگام معرفی نسل جدید باتری‌های سدیم‌یونی خود بر بهبود ایمنی در شرایط شدید تأکید کرده و این فناوری را برای استفاده در خودرو‌هایی که باید در شرایط آب‌وهوایی متنوع فعالیت کنند، مناسب دانسته است. کاهش نیاز به برخی تجهیزات حفاظتی و سرمایشی نیز می‌تواند در سامانه‌های بزرگ ذخیره انرژی به کاهش پیچیدگی طراحی و هزینه‌های بهره‌برداری کمک کند، هرچند میزان این مزیت به مشخصات هر محصول بستگی خواهد داشت.
خودروسازان و شرکت‌های باتری‌سازی تولید را گسترش می‌دهند
شرکت‌های بزرگ تولیدکننده باتری طی سال‌های اخیر سرمایه‌گذاری در فناوری سدیم‌یونی را افزایش داده‌اند و برخی از آن‌ها به مرحله تولید تجاری رسیده‌اند. شرکت چینی سی‌ای‌تی‌ال که از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان باتری خودروهای برقی در جهان محسوب می‌شود، نسل جدید باتری نکسـترا را با چگالی انرژی ۱۷۵ وات‌ساعت بر کیلوگرم توسعه داده و برای تولید گسترده آن تا پایان سال جاری برنامه‌ریزی کرده است. این شرکت همچنین با خودروساز چینی چانگان همکاری می‌کند تا استفاده از باتری‌های سدیم‌یونی را در خودروهای سواری گسترش دهد. بی‌وای‌دی نیز در حال توسعه ظرفیت تولید این فناوری است و احداث کارخانه‌ای برای تولید باتری‌های سدیم‌یونی با ظرفیت سالانه ۳۰ گیگاوات‌ساعت را دنبال می‌کند. این سرمایه‌گذاری‌ها نشان می‌دهند که فناوری جدید از مرحله آزمایش‌های محدود عبور کرده و به‌تدریج در حال ورود به زنجیره تأمین صنعتی است.
شرکت‌های آمریکایی نیز برای استفاده از باتری‌های سدیم‌یونی در سامانه‌های ذخیره برق برنامه‌هایی را دنبال می‌کنند. جنرال موتورز با شرکت پیک انرژی در زمینه توسعه زنجیره تأمین این فناوری همکاری می‌کند و قرار است تولید داخلی باتری‌های سدیم‌یونی در آمریکا طی سال‌های آینده گسترش یابد. شرکت‌های دیگری مانند های‌نا در چین نیز در توسعه و تجاری‌سازی این باتری‌ها فعالیت دارند، اما پیشرفت صنعت در همه کشور‌ها یکسان نبوده است. تعطیلی شرکت آمریکایی ناترون انرژی در سال ۲۰۲۵ نشان داد که دستیابی به فناوری مناسب به‌تنهایی برای موفقیت تجاری کافی نیست و تأمین سرمایه، توسعه زنجیره تولید و رقابت با محصولات ارزان‌تر لیتیوم‌یونی همچنان از موانع اصلی این بازار محسوب می‌شوند. آژانس بین‌المللی انرژی برآورد کرده است که تولید جهانی باتری‌های سدیم‌یونی در سال ۲۰۲۵ کمتر از یک درصد تولید باتری‌های لیتیوم‌یونی بوده و بخش عمده ظرفیت تولید این فناوری نیز در چین متمرکز شده است.
ذخیره انرژی شبکه برق مهم‌ترین بازار آینده خواهد بود
سامانه‌های ذخیره انرژی ثابت یکی از مناسب‌ترین کاربرد‌های باتری‌های سدیم‌یونی محسوب می‌شوند، زیرا محدودیت وزن و ابعاد در این تجهیزات به اندازه خودروهای برقی و محصولات قابل حمل اهمیت ندارد. باتری‌هایی که در کنار نیروگاه‌های خورشیدی، مزارع بادی و شبکه‌های توزیع برق نصب می‌شوند، وظیفه ذخیره انرژی در زمان تولید مازاد و تحویل آن در ساعات افزایش تقاضا را بر عهده دارند. در چنین کاربردهایی، عواملی مانند هزینه هر واحد انرژی ذخیره‌شده، طول عمر، ایمنی و عملکرد پایدار اهمیت بیشتری نسبت به وزن باتری پیدا می‌کنند. فناوری سدیم‌یونی می‌تواند در صورت کاهش هزینه تولید و افزایش ظرفیت کارخانه‌ها، به گزینه‌ای مناسب برای این سامانه‌ها تبدیل شود و بخشی از تقاضای رو‌به‌رشد بازار ذخیره انرژی را تأمین کند. توسعه مراکز داده و افزایش مصرف برق سامانه‌های هوش مصنوعی نیز توجه شرکت‌ها را به فناوری‌هایی جلب کرده که بتوانند در مقیاس بزرگ و با هزینه مناسب انرژی ذخیره کنند.
استفاده ترکیبی از باتری‌های سدیم‌یونی و لیتیوم‌یونی نیز یکی دیگر از مسیر‌های توسعه این صنعت است. در چنین ساختاری، هر فناوری می‌تواند متناسب با ویژگی‌های خود بخشی از نیاز سامانه را تأمین کند؛ به‌عنوان مثال، باتری‌های لیتیوم‌یونی برای ذخیره انرژی بیشتر در فضای محدود به کار گرفته شوند و باتری‌های سدیم‌یونی در شرایط سرمای شدید یا برای کاهش وابستگی به مواد اولیه خاص نقش مکمل داشته باشند. این روش می‌تواند به‌ویژه در خودروهای برقی و سامانه‌های ذخیره انرژی با شرایط بهره‌برداری متغیر کاربرد داشته باشد. با این حال، استفاده از دو ترکیب شیمیایی در یک مجموعه به طراحی پیشرفته سامانه مدیریت باتری نیاز دارد، زیرا ویژگی‌های شارژ، تخلیه و کنترل دمای آن‌ها متفاوت است و هماهنگی میان این بخش‌ها باید به‌دقت انجام شود.
آیا باتری‌های سدیم‌یونی جایگزین لیتیوم‌یونی‌ها می‌شوند؟
آینده رقابت این دو فناوری بیش از هر چیز به پیشرفت چگالی انرژی، کاهش هزینه تولید و توسعه زنجیره تأمین وابسته است. باتری‌های لیتیوم‌یونی در حال حاضر از مزیت تولید گسترده، تجربه صنعتی طولانی و عملکرد مناسب در تجهیزات کوچک و خودروهای دارای برد بالا برخوردار هستند، در حالی که نمونه‌های سدیم‌یونی با وجود پیشرفت سریع، همچنان برای رقابت مستقیم با محصولات پیشرفته لیتیوم‌یونی به بهبود بیشتری نیاز دارند. افزایش ظرفیت کارخانه‌های تولیدکننده باتری‌های سدیم‌یونی می‌تواند در سال‌های آینده قیمت محصولات را کاهش دهد، اما این فناوری برای دستیابی به سهم قابل‌توجهی از بازار باید بتواند از نظر هزینه نهایی، عمر مفید و عملکرد عملیاتی با باتری‌های ارزان‌قیمت LFP رقابت کند.
جایگزینی کامل باتری‌های لیتیوم‌یونی در کوتاه‌مدت محتمل نیست و کاربرد‌های متفاوت این دو فناوری می‌تواند به توسعه هم‌زمان آن‌ها منجر شود. باتری‌های سدیم‌یونی برای خودروهای شهری با برد محدود، تجهیزات صنعتی، وسایل نقلیه سبک، مناطق سردسیر و سامانه‌های ذخیره انرژی ثابت ظرفیت مناسبی دارند، در حالی که باتری‌های لیتیوم‌یونی احتمالاً همچنان بخش مهمی از بازار خودروهای دوربرد و تجهیزات قابل حمل را در اختیار خواهند داشت. گسترش فناوری سدیم‌یونی می‌تواند علاوه بر افزایش انتخاب تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان، وابستگی صنعت باتری به یک ترکیب شیمیایی و زنجیره تأمین مشخص را کاهش دهد. موفقیت این فناوری در نهایت نه به حذف کامل باتری‌های لیتیوم‌یونی، بلکه به توانایی آن در تأمین نیاز‌هایی وابسته خواهد بود که استفاده از سدیم در آن‌ها مزیت فنی یا اقتصادی بیشتری ایجاد می‌کند.
انتهای پیام/
