صعود بطاريات أيون الصوديوم في عصر جديد من بطاريات الطاقة

الدخول في عصر السيارات الكهربائية التي تعمل ببطاريات الصوديوم

في أوائل عام 2024، تم تسليم أول مركبة كهربائية في العالم تعمل ببطارية أيون الصوديوم رسميًا للمستخدمين. ويصل مدى السيارة الجديدة إلى 252 كيلومترا، وهي مزودة بـ 32140 بطارية أسطوانية من أيون الصوديوم. تتبنى الخلية المسار الفني ل"قاعدة النحاس مثل أكسيد الكربون الصلب"، سعة المونومر هي 12Ah، وكثافة الطاقة أكثر من 140Wh/كلغ، ولها مزايا السلامة العالية، وكثافة الطاقة العالية والأداء الجيد في درجات الحرارة المنخفضة. في السنوات الأخيرة، بما في ذلك ننجدي مرات، قامت شركة صوديوم طاقة وغيرها من الشركات المحلية أيضًا بتسريع تخطيط صناعة بطاريات أيون الصوديوم، وحققت الآن إنتاجًا صغيرًا وتقييم الأداء، ومن المتوقع أن تفتح السنة الأولى من تطوير ترام بطارية الصوديوم في 24 سنة.

أيون الصوديوم مقابل بطارية ليثيوم أيون

من المتوقع أن تصبح بطاريات أيون الصوديوم تقنية بطاريات ثانوية أخرى للتطبيقات التجارية واسعة النطاق بسبب مزاياها الفريدة. بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون، تتمتع أيونات الصوديوم بقدرة أقوى على تفاعل الذوبان ونصف قطر أصغر، مما يمكّن محاليل إلكتروليت أيون الصوديوم منخفضة التركيز من تحقيق موصلية أيونية أعلى. وبما أن الصوديوم والليثيوم ينتميان إلى نفس المجموعة الرئيسية من العناصر المتجاورة، فإن الاثنين لهما تشابه كبير في الخواص الكيميائية، لذا فإن مبدأ عمل بطاريات أيون الصوديوم يشبه مبدأ عمل بطاريات أيون الليثيوم، التي تتبع"كرسي هزاز"آلية. تتكون بطارية أيون الصوديوم من القطب الموجب والقطب السالب والحجاب الحاجز والكهارل ومجمع السوائل. يتم تحقيق عملية الشحن والتفريغ عن طريق التضمين العكسي وفك أيون الصوديوم بين مواد القطب الموجب والسالب. في عملية الشحن، تتم إزالة أيونات الصوديوم من القطب الموجب ودمجها في القطب السالب لتكوين قطب موجب فقير بـ غير متوفر وقطب سالب غني بـ نا. في عملية التفريغ، يتم دمج أيونات الصوديوم بشكل عكسي في القطب الموجب من القطب السالب لتحقيق توازن الشحن والتفريغ. يتم نقل الإلكترونات في الدائرة الخارجية، مما يحافظ على توازن الشحنة مع هجرة أيونات الصوديوم. نظرًا لخصائص بطاريات أيون الصوديوم، فهي متوافقة مع معدات تصنيع بطاريات أيون الليثيوم، وهي أقل صعوبة في التصنيع ولها آفاق سوقية واسعة في المستقبل.

من حيث كثافة الطاقة، فإن خلية بطارية أيون الصوديوم عادة ما تكون في حدود 105-150 واط ساعة/كجم. تتجاوز كثافة الطاقة لخلايا بطارية الليثيوم أيون عمومًا 190 وات ساعة/كجم، وتتجاوز بعض الأنظمة الثلاثية ذات المحتوى العالي من النيكل 230 وات ساعة/كجم. على الرغم من أنه لا يمكن حتى الآن مقارنة بطارية أيون الصوديوم الحالية ببطارية الليثيوم الثلاثية، ولكن بالمقارنة مع بطارية ليثيوم فوسفات الحديد 120-200 وات ساعة/كجم وبطارية الرصاص الحمضية 35-45 وات ساعة/كجم، فإن بطارية أيون الصوديوم تتمتع بقدرة تنافسية معينة . فيما يتعلق بنطاق درجة حرارة التشغيل والسلامة، تتمتع بطاريات أيونات الصوديوم بمزايا واضحة. نطاق درجة حرارة التشغيل هو -40℃-80℃، في حين أن نطاق التشغيل لبطاريات الليثيوم أيون الثلاثية عادة ما يكون -20℃ ~ 60℃. في بيئة تقل درجة حرارتها عن 0%، سيتأثر أداء بطاريات الليثيوم. في المقابل، لا يزال بإمكان بطاريات أيونات الصوديوم تحقيق أكثر من 80% من احتفاظ شركة نفط الجنوب عند -20° درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للمقاومة الداخلية الكبيرة لبطاريات أيونات الصوديوم، ليس من السهل تسخينها، لذا فهي تظهر أمانًا أعلى. من حيث الهروب الحراري. ومن حيث سرعة الشحن، يمكن شحن بطاريات أيون الصوديوم بالكامل خلال 10 دقائق فقط، مقارنة بما لا يقل عن 40 دقيقة لبطاريات الليثيوم الثلاثية و45 دقيقة لفوسفات حديد الليثيوم. بشكل عام، على الرغم من أن كثافة الطاقة لا يمكن أن تتنافس مع بطاريات أيونات الليثيوم، إلا أن بطاريات أيونات الصوديوم يمكنها حل نقطتي الألم الرئيسيتين لمركبات الطاقة الجديدة الحالية من حيث استقرار درجة الحرارة المنخفضة وسرعة الشحن، ولا تزال واحدة من الخيارات التي يدرسها شركات السيارات الكبرى.

تحليل موجز للمسار الفني لأكسيد الطبقات لبطاريات أيونات الصوديوم

مادة الكاثود - أكسيد فلز انتقالي ذو طبقات

عادة ما يتم التعبير عن أكاسيد الفلزات الانتقالية ذات طبقات أيون الصوديوم بـ ناكسMO2، حيث M عبارة عن عنصر فلز انتقالي مثل من، ني، النحاس، الحديد، شركة، إلخ. توضح الدراسة أن ترتيب ناكسMO2 يمكن تقسيمه إلى نوع O ونوع النوع P، ومخطط هيكله هو كما يلي. لا يوفر الهيكل الطبقي لأكسيد الفلز الانتقالي هذا قنوات لدمج وفك أيونات الصوديوم فحسب، بل يعزز أيضًا استقرار الهيكل العام من خلال استخدام هيكل مو6 ثماني السطوح. لذلك، تتمتع المادة بأداء كهروكيميائي ممتاز وهي حاليًا مادة القطب الموجب السائدة لبطاريات أيونات الصوديوم. وفي الوقت نفسه، تتمتع المادة بعلاقة عالية مع تقنية الإلكتروليت.

تعتبر مادة كاثود أكسيد النحاسيك CuFeo2 مناسبة لبطاريات أيونات الصوديوم في درجة حرارة الغرفة. استنادًا إلى النحاس، تظهر المادة قدرة عكسية تبلغ 220 مللي أمبير/جرام، وتتضمن آلية تفاعلها الكهروكيميائي بشكل أساسي تفاعل الأكسدة والاختزال لـ Cu2 /النحاس . جهد التشغيل لـ CuFeo2 يمكن أن يصل إلى 2.4 فولت، وله استقرار دورة جيد. تتميز هذه المواد بخصائص التكلفة المنخفضة والأداء الممتاز والصداقة البيئية، وقد أظهرت آفاقًا معينة.

مادة القطب السالب - مادة قائمة على الكربون

هناك أنواع عديدة من مواد الأنود لبطاريات أيون الصوديوم، بما في ذلك المواد القائمة على الكربون، والمواد القائمة على التيتانيوم، ومواد السبائك والمواد العضوية. ومن بينها، تعتبر المواد المعتمدة على الكربون من أكثر المواد المرشحة الواعدة بسبب توفرها وتكلفتها المنخفضة. تنقسم المواد القائمة على الكربون بشكل أساسي إلى فئتين: الكربون البلوري والكربون غير المتبلور، والكربون البلوري بشكل رئيسي الجرافيت الطبيعي والجرافيت الاصطناعي، وهي مواد القطب السالب الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون. ومع ذلك، عند استخدام الجرافيت كقطب سلبي لبطارية أيون الصوديوم، لا يمكن تحقيق دمج أيونات الصوديوم، مما يؤدي إلى قدرة محددة منخفضة جدًا لتلبية احتياجات التطبيقات العملية. تشتمل مواد الكربون غير المتبلورة بشكل أساسي على الكربون الصلب والكربون الناعم. يُظهر الكربون الصلب قدرة تفريغ أولية عالية، وأداء معدل جيد واستقرارًا هيكليًا، وله مزايا أداء كهروكيميائية جيدة، وهو حاليًا الخيار الأول لمواد القطب السالب. على الرغم من أن الكربون الناعم له تكلفة منخفضة، ونشاط كهروكيميائي مرتفع، ويمكن أن يوفر قدرة عكسية عالية، إلا أن قدرته المحددة منخفضة، ويجب حل مشكلة توسيع الحجم. نظرًا للمزايا الشاملة للموارد الوفيرة والتكلفة المنخفضة والتنوع الهيكلي والأداء الكهروكيميائي الممتاز، تعتبر مواد الكربون غير المتبلورة عمومًا واحدة من أكثر مواد الأنود الواعدة لبطاريات أيون الصوديوم في الصناعة. 

يمكن تحضير الكربون الصلب من خلال مجموعة متنوعة من أنظمة السلائف، وسيؤثر اختلاف السلائف على التشكل المجهري ودرجة العيب للكربون الصلب النهائي، ومن ثم يؤثر على أدائه الكهروكيميائي.

بالكهرباء

بالإضافة إلى مواد القطب الموجب والسالب، يعتبر المنحل بالكهرباء أيضًا وسيلة تفاعل لا غنى عنها. يتكون المنحل بالكهرباء لبطارية أيون الصوديوم بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: ملح الصوديوم والمذيب والمواد المضافة. يلعب ملح الصوديوم دورًا رئيسيًا في الإلكتروليت، مما يؤثر بشكل مباشر على أداء الشحن والتفريغ وعمر البطارية. من أجل الحفاظ على التشغيل المستقر للبطارية، يجب أن يتمتع ملح الصوديوم باستقرار كهروكيميائي جيد ولا يمكن أن يكون له تفاعلات جانبية مع مادة القطب الكهربي. من الناحية المثالية، يجب أن تكون أملاح الصوديوم قادرة على الذوبان تمامًا في نظام المذيبات المحدد وتوليد أيونات الصوديوم النشطة كهروكيميائيًا، بحيث يمكنها الانتقال بحرية في المنحل بالكهرباء والوصول بسرعة إلى سطح القطب الكهربي لإجراء تفاعلات عكسية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أيضًا أن يقلل ملح الصوديوم عالي الجودة من التفاعلات الجانبية مع مكونات البطارية الأخرى لتحسين سلامة البطارية.

آفاق التنمية المستقبلية

على الرغم من أن بطاريات أيون الصوديوم تتمتع بمزايا مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون من حيث التكلفة، إلا أن هناك أوجه قصور واضحة في كثافة الطاقة، ويتم حملها حاليًا بشكل أساسي على مركبات صغيرة صغيرة ذات متطلبات عمر بطارية منخفضة وحساسية عالية للتكلفة. ومع التطور الهائل لمركبات الطاقة الجديدة في السنوات الأخيرة، أصبحت موارد الليثيوم أيون شحيحة بشكل متزايد، ويمكن التنبؤ بأن تكنولوجيا بطاريات أيون الصوديوم سوف تستهل فترة تطوير ذهبية. مع التقدم المستمر في المواد والأداء الكهروكيميائي والسلامة والجوانب الأخرى، يتسارع أيضًا تصنيع بطاريات أيونات الصوديوم، بالإضافة إلى السيارات الكهربائية الصغيرة والمتناهية الصغر الحالية، من المتوقع أيضًا أن يتم المستقبل في السيارات الهجينة الموصولة بالكهرباء. المركبات، سيتم تخفيض سعر السيارة بشكل أكبر.