باتری‌های سدیم می‌توانند به اتومبیل الکتریکی جدید شما نیرو بدهند.

منتشرشده در wired به تاریخ ۸ نوامبر ۲۰۲۱
لینک منبع Sodium Batteries May Power Your New Electric Car

نیم قرن پیش، باتری آینده از سدیم ساخته شده‌بود. دلیل آن به شور بودن دریاها مربوط می‌شود. سدیم یک عنصر سبک است که به راحتی یونیزه می‌شود و یکی از الکترون‌های خود را آزاد می‌کند. در یک باتری، آن یون‌ها بین دو صفحه با بار مخالف رفت و آمد می‌کنند و یک جریان تولید می‌کنند. این شبیه یک راه امیدوار کننده برای قدرت بخشیدن به یک خانه و یا یک ماشین بود. اما بعد یک عنصر دیگر با گروه برخورد کرد: لیتیوم، همسایه سدیم در طبقه بالا بر روی جدول تناوبی. در سال ۱۹۹۱، سونی اولین باتری قابل شارژ لیتیوم-یونی را تجاری کرد، که به اندازه کافی کوچک و قابل‌حمل بود تا دوربین‌های ویدیویی دستی خود را تغذیه کند. لیتیوم سبک‌تر و کار کردن با آن راحت‌تر از سدیم بود، و بنابراین یک صنعت باتری در اطراف آن رشد کرد. شرکت‌ها و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی برای بسته‌بندی انرژی بیشتر در فضای کم‌تر رقابت می‌کردند. سدیم در پس‌زمینه محو شد.

بنابراین شگفت‌انگیز بود که تابستان امسال، زمانی که CATL چین، یکی از بزرگ‌ترین تولید کنندگان باتری در جهان، اعلام کرد که سدیم در آینده الکتریکی نقش خواهد داشت. CATL، مانند رقبای خود، یک شرکت لیتیومی است. اما از سال ۲۰۲۳ شروع به قرار دادن سلول‌های سدیم در کنار سلول‌های لیتیوم درون بسته‌های باتری می‌کند که ماشین‌های الکتریکی را تغذیه می‌کنند. چرا؟ خوب، برای یک چیز، یک مدیر اجرایی CATL اشاره کرد که سدیم ارزان‌تر از لیتیوم است، و در هوای سرد بهتر عمل می‌کند. اما همچنین در برابر موضوعی که تصور آن در سال 1991 دشوار بود، محافظت می‌کرد. تا پایان این دهه، دنیا در زمینه مواد خام برای باتری‌ها، نه تنها لیتیوم، بلکه فلزاتی مانند نیکل و کبالت نیز دچار کمبود خواهد شد. حالا که برق‌رسانی در یک مقیاس بزرگ در حال رخ دادن است، زمان آن رسیده که به متنوع سازی فکر کنیم. یک سخنگوی CATL به «WIRED» می‌گوید که ۱۰ سال پیش شروع به فکر کردن در مورد سدیم کرده‌است.

شرلی منگ، یک دانشمند باتری در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو که به طور گسترده با هر دو عنصر کار می‌کند، می‌گوید که اعلامیه CATL « واقعا انرژی جدیدی را به افرادی که بر روی سدیم کار می‌کنند تزریق کرده‌است.» به عنوان یک پروفسور جوان، منگ کار با سدیم را تا حدودی به این دلیل آغاز کرد که به دنبال یک جایگاه مناسب و عجیب و غریب برای برجسته شدن بود – اما همچنین به این دلیل که معتقد بود این سدیم پتانسیل دارد. او می‌گوید: « بزرگ‌ترین مانع برای موفقیت سدیم این بود که لیتیوم بسیار موفق بود.»

لیتیوم به طور استثنایی نادر نیست. اما ذخایر در مکان‌هایی متمرکز شده‌اند که استخراج آن‌ها دشوار است. بنابراین شرکت‌هایی مانند CATL برای تامین بخشی از عرضه از تعداد محدودی از معادن که عمدتاً در استرالیا و کوه‌های آند قرار دارند، رقابت می‌کنند. در همین حال، ذخایر در آمریکای شمالی با اختلافات زیست‌محیطی گره خورده‌است، و نگرانی‌هایی را در ایالات‌متحده در مورد امنیت زنجیره تامین ایجاد کرده‌است. رقابت حتی برای نیکل شدیدتر است-که ایلان ماسک آن را «بزرگ‌ترین نگرانی» برای آینده باتری‌های EV، به دلیل قیمت و محدودیت‌های تامین آن، و برای کبالت، که ۷۰ درصد آن در جمهوری دموکراتیک کنگو حفر شده‌است، نامید.

منگ می‌گوید، با باز شدن معادن بیشتر، احتمالا لیتیوم کافی برای به قدرت رساندن همه وسایل نقلیه جهان وجود خواهد داشت. اما این همه چیزهایی را که برای برقی‌سازی در نظر گرفته شده‌اند و خودرو نیستند، در نظر نمی‌گیرد: عمدتاً باتری‌هایی که بار درون ریزشبکه‌ها را مدیریت می‌کنند و چراغ‌های ما را در شب هنگامی که پنل‌های خورشیدی پشت بام در تاریکی هستند روشن نگه می‌دارند. این‌ها انواع کاربردهایی هستند که (منگ) زمانی که در مورد سدیم تحقیق می‌کرد، در ذهن داشت. او می‌گوید: « من فکر می‌کردم که همه یک یخچال برای الکترون‌ها در خانه شما خواهند داشت به همان صورتی که شما یک یخچال برای غذا دارید.» « من فکر می‌کنم که این واقعا چشم اندازی برای ذخیره‌سازی شبکه است.»

سدیم یک عنصر رایج است که معمولاً از خاکستر سودا استخراج می‌شود، اما اساساً می‌توان آن را در هر جایی یافت، از جمله در آب دریا و ذغال سنگ نارس از باتلاق‌ها. همچنین این امر به خوبی برای انواع کاربردهایی که منگ توصیف می‌کند، مناسب است. یون‌ها کمی سنگین‌تر و بزرگ‌تر از لیتیوم هستند، به این معنی که شما نمی‌توانید انرژی زیادی را در یک فضای کوچک، مانند شکم یک ماشین جمع کنید. «جایی که باتری‌های سدیم می‌توانند تاثیر بزرگی بر روی شبکه داشته باشند،»نوریا تاپی رویز، استاد دانشگاه لنکستر و مدیر موسسه باتری سدیم فارادی، این را توضیح می‌دهد. این باتری‌ها می‌توانند کمی بزرگ‌تر، کمی سنگین‌تر باشند، اما مهم نیست چون فقط باید محکم بنشینند.

\تاپیا رویز می‌گوید که از نظر تاریخی، باتری‌های سدیم تا حدودی به خاطر پایداری شیمیایی نگه‌داشته شده‌اند. در حالی که سدیم و لیتیوم همسایه‌های دوره‌ای هستند، در جهان‌های موازی شیمی وجود دارند و به طور متفاوت با عناصر و ترکیبات مختلف واکنش نشان می‌دهند. این بدین معنی است که تعویض سدیم نیاز به توسعه مواد جدید برای کاتد و آند باتری دارد، الکترودهای مثبت و منفی که یون‌ها را با شارژ باتری جذب و آزاد می‌کنند. یکی از مشکلات ویژه این است که واکنش‌های شیمیایی درون باتری می‌تواند در الکترولیت قرار گرفته بین الکترودها، باعث کاهش عمر باتری و یا به خطر انداختن ایجاد فلز سدیم شود که می‌تواند ماده منفجره باشد. چالش دیگر این است که همانند بسیاری از باتری‌های لیتیومی، باتری‌های سدیم با چگالی انرژی معمولا حاوی نیکل هستند. از بین بردن این فلز یک نگرانی کلیدی برای محققان است، اگر چه دشوار است. تاپیا رویز می‌گوید: « اما این کار درستی است زیرا شما می‌خواهید یک تکنولوژی پایدار و بسیار سبز ایجاد کنید.»

اما تعداد انگشت‌شماری از آزمایشگاه‌ها و استارت‌آپ‌ها که هنوز با سدیم کار می‌کنند، در دهه‌های اخیر پیشرفت‌های آرامی داشته‌اند. ناترون، یک شرکت نوپای مستقر در کالیفرنیا، باتری‌های سدیم را در درجه اول برای نیروی پشتیبان در تاسیسات صنعتی و مراکز داده‌ها می‌سازد. این شرکت از ماده‌ای به نام آبی پروسی به عنوان پایه و اساس الکترودهایش استفاده می‌کند که نوعی از رنگدانه مصنوعی اولیه است که در نقاشی‌های نمادین از آن استفاده می‌شود. در داخل باتری، طراحی به خصوص با چگالی انرژی و حتی با استانداردهای سدیم انجام نمی‌شود. اما به گفته جک پوچت، معاون فروش شرکت، یک مزیت این است که "زنجیره تامین ما می تواند محلی باشد." این کارخانه دارای عناصر مشترکی مثل سدیم، منگنز و آهن است و در سانتا کلارا در کالیفرنیا کار می‌کند. باتری به دلیل کمبود انرژی در ذخیره‌سازی انرژی، می تواند آن انرژی را به سرعت شارژ و پخش کند. Oomph بیش از محدوده. این شرکت امیدوار است که با کشیده شدن شبکه برق، باتری‌های آن بتواند به سرعت برای شارژ خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. پوچت می‌گوید که Natron در حال پیشبرد برنامه‌هایی برای نصب چنین دستگاه‌هایی در سن دیگو است.

تبلیغ دیگر شرکت امنیت است. پوچت به حوادثی در عملیات ذخیره‌سازی باتری شبکه، از جمله آتش سوزی بزرگ در تاسیسات باتری در استرالیا و گرم شدن بیش از حد در تاسیسات دیگری در کالیفرنیا اشاره می‌کند که نگرانی‌هایی را در مورد توصیه قرار دادن باتری در خانه همه افراد، هر چند این آتش‌سوزی‌ها نادر باشد، افزایش می‌دهد. او می‌گوید: « من نمی‌خواهم آن را در گاراژ خود داشته باشم.» وب سایت این شرکت دارای ویدیوهایی از خرد کردن و گرم کردن بسته‌های باتری و تیراندازی به آن‌ها با یک تفنگ است که همه آن‌ها بدون هیچ مشکل ظاهری هستند.

منگ می‌گوید، اما به طور کلی، ایمنی باتری‌های سدیم «کامل نیست» و به طراحی خاص باتری بستگی دارد. همه چیز به جفت کردن کاتد و الکترولیت مناسب برمی‌گردد - و از بین بردن خطرات آتش سوزی برای باتری های پر انرژی تر دشوارتر است، مانند آنهایی که در خودروها یافت می‌شوند، یا آنهایی که برای توزیع انرژی در مدت‌زمان طولانی‌تری طراحی شده‌اند، مانند باتری‌های ذخیره‌سازی شبکه.

همچنین CATL می‌گوید که طرح‌های سدیم آن ایمن هستند، علاوه بر این که چگالی انرژی بالاتری با یک کاتد بدون نیکل ارائه می‌دهد. این شرکت ادعا می‌کند که باتری با باتری‌های لیتیوم-آهن-فسفات یا LFP قابل‌مقایسه است، که به طور فزاینده‌ای در خودروهای میان برد محبوب هستند. همچنین CATL با جفت کردن باتری‌های سدیم با سلول‌های مبتنی بر لیتیوم، چگالی انرژی کم‌تر را جبران می‌کند. شرکت گفته‌است که هدف آن این است که این دو عنصر را تا حد زیادی در فرآیند تولید قابل تعویض کند و در زنجیره تامین بزرگ و پیچیده خود در کنار لیتیوم قرار دهد.

منگ توضیح می‌دهد که این مسئله بزرگی است، زیرا هر گونه مقایسه هزینه بین طرح‌های سدیم و لیتیوم به افزایش تولید باتری سدیم بستگی دارد. این به تولیدکنندگان بزرگ مانند CATL بستگی دارد. وود مکنزی، یک مشاور که بر روی منابع طبیعی تمرکز دارد، برآورد می‌کند که ساخت باتری‌های سدیم ۴۰ درصد کم‌تر از باتری‌های LFP هزینه خواهد داشت، که عمدتا به دلیل مواد ارزان‌قیمت است-اما تنها یک‌بار تولید سدیم کاهش می‌یابد. این شرکت می‌گوید که انتظار می‌رود که لیتیوم برای سال‌های آینده غالب باقی بماند.

منگ اشاره می‌کند که فن‌آوری‌هایی مانند سدیم-و دیگر جایگزین‌های لیتیوم، که شامل روی و وانادیوم هستند-نیز فرصتی برای مکان‌هایی مانند ایالات‌متحده هستند که فاقد صنعت باتری گسترده هستند. منگ و دیگر محققان دانشگاه سن دیگو اخیراً ابتکاری را برای راه‌اندازی تکنیک‌های تولید باتری‌های سدیمی حالت جامد، نسل بعدی فناوری که بسیار ایمن‌تر و انرژی‌زاتر از باتری‌هایی است که اکنون داریم، راه‌اندازی کردند. محققان و شرکت‌های نوبنیان برای تجاری کردن باتری‌های لیتیومی حالت جامد با مشکل مواجه هستند، و نسخه‌های سدیم بودجه و توجه بسیار کمی دریافت کرده‌اند. او اضافه می‌کند: اما این کار ارزش برنامه‌ریزی برای آینده را دارد-و به کار کردن ادامه می‌دهد. او می‌گوید: « هنوز هم اکتشافات هیجان انگیزتری وجود دارد که می توان آن‌ها را انجام داد.»

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات علمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.