ایران - مشهد مقدس
اداره کل زمین شناسی و اکتشافات معدنی منطقه شمال شرق
پیک بیخبری
لیتیم به سدیم
باتری سدیم یون وارد صنعت میشود!
توسط: هادی شریفی
باتریهای لیتیم یونی (Li-Ion) هم در تحقیقات و هم در مسیر صنعتی شدن از باتریهای سدیم یون جلوترند. در مقایسه باتری لیتیمی با باتری سدیمی، باتری سدیم یون (Na-Ion) در عمل دارای معایب و چشمانداز صنعتی شدن کمتری است. کارشناسان میگویند که انرژی الکتریکی جهان در باتریهای لیتیم یون ذخیره میشود که به تنهایی کافی نیست و بعد از آنها باتریهای سدیم یون اولین انتخاب هستند.
باتریهای سدیم و لیتیمی با هم رقابت میکنند!
باتریهای لیتیمی و سدیمی، به دلیل مجاورت دو عنصر لیتیم و سدیم در جدول تناوبی، خواص شیمیایی مشابهی دارند. تحقیق در مورد این دو نوع باتری تقریباً بطور همزمان شروع شد تا اینکه باتری لیتیمی به محبوب صنعت باتری تبدیل شد. اولین باتری لیتیم یونی کاربردی که با ترکیب یک الکترود نرم کربن منفی و یک الکترود مثبت اکسید کبالت لیتیم ساخته شد، اولین بار در دهه ۱۹۹۰ در ژاپن تجاری شد.
با این حال، به دلیل شعاع بزرگتر در مقایسه با باتریهای لیتیم یونی، باتریهای سدیم یونی در ویژگیهای مهمی مثل چگالی انرژی و عمر چرخه از باتریهای لیتیمی عقب ماندهاند. همزمان، کارشناسان در حال بررسی صنعتی شدن باتریهای لیتیمی در چیناند که تحقیقات باتریهای لیتیمی را در زمینه وسایل نقلیه الکتریکی خانگی ارتقا داده است. در حالی که باتریهای لیتیمی کاربردهای تجاری خود را سرعت میبخشند، تحقیقات روی باتریهای سدیم یون در حال افزایش ولی پیشرفتش هنوز کُند است.
در سال ۲۰۰۰، مشخص شد که در مواد آند کربن سخت، یونهای سدیم دارای خواص درونی خوبی هستند. با این حال، این کشف بلافاصله باعث افزایش تولید انبوه باتریهای سدیم یونی نشد. بدیهی است که ۱۰۰ تولیدکننده برتر لیتیم که هنوز افزایش شدید فشار هزینه را تجربه نکردهاند، انگیزهای برای یافتن مسیرهای جایگزین ندارند و باتریهای سدیم همچنان خاموشاند.
بعد از سال ۲۰۱۰، توسعه سریع لوازم الکترونیکی مصرفی پاییندست، لوازم سختافزار هوشمند، وسایل نقلیه الکتریکی و سایر زمینهها تقاضای زیادی برای باتریهای لیتیمی ایجاد کرده و حتی بعضی از دانشمندان کمبود منابع لیتیم را پیشبینی کردهاند. در حقیقت، میزان عنصر لیتیم در پوسته زمین تنها ۰.۰۰۶۵ ٪ است که حتی به خوبی ِعناصر نیکل و کبالت نیست که بیشترشان در قاره آمریکا توزیع شدهاند. در مقابل، سدیم (۲.۷۵٪) خیلی غنیتر و ذخایرش بطور مساوی توزیع شده است.
هزینههای اِلِمانها بخش بزرگی از هزینههای باتری را تشکیل میدهند. وقتی تولید در مقیاس بزرگ همچنان به شکستن محدودیت ادامه میدهد، کمبود منابع فشار زیادی بر هزینه زنجیره صنعت وارد میکند. دانشمندان امیدوارند کبالت، نیکل و لیتیم را با سدیم ارزانتر جایگزین و در عین حال عملکرد مشابهی ارائه کنند، بنابراین باتریهای یون سدیم به عرصه تجاریسازی فناوری بازگشتهاند.
صنعتی شدن باتری یون سدیم به تدریج در راهست
با توجه به این واقعیت که عملکرد کلی هنوز با باتریهای لیتیمی برابری نکرده، باتریهای سدیم در حال حاضر فقط برای خودروهای دوچرخ کمسرعت، خودروهای سواری کلاس A00 و میدانهای ذخیرهسازی انرژی با ظرفیت کم و متوسط مناسباند. چگالی انرژی فعلی باتریهای سدیمی میتواند به ۱۴۵ وات ساعت بر کیلوگرم برسد که تقریباً سه برابر باتریهای سرب اسیدی است. چگالی انرژی باتریهای لیتیم فسفات آهن و باتریهای سه تایی لیتیم اساساً میتواند به بیش از ۱۶۰ وات ساعت بر کیلوگرم برسد.
از نظر عمر چرخه، با توجه به شرایط دمایی مختلف، باتری فسفات آهن لیتیم میتواند به ۱۰۰۰۰-۳۰۰۰ برابر برسد، درحالیکه عمر چرخه باتری یون سدیم حدود ۴۰۰۰-۱۰۰۰ برابر است. با این حال، برای ارتقای باتریهای یون سدیم در مقیاس بزرگتر، بدون شک عملکرد فعلی نیاز به بهبود دارد به این دلیل که این سناریوهای کاربردی برای عمر چرخه معمولاً آستانهای دارند. به عنوان مثال، وسایل نقلیه الکتریکی به ۲۰۰۰ بار نیاز دارند، حال آنکه آستانه ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ حدود ۵۰۰۰ برابر است.
پایداری چرخه باتریهای سدیم ضعیف است و حداکثر مقدار لازم، نیاز به بهبود دارد و باید هزینه آن را در نظر گرفت. هزینه بسیار پایین تولید نظری لزوماً به معنای دستیابی به آن نیست. هزینه ساخت واقعی هم به کاهش بیشتر تولید در مقیاس بزرگ بستگی دارد. تنها زمانی که ظرفیت تولید بتدریج به بالاتر از مقیاس GWh افزایش یابد، مزیت هزینه مواد باتری یون سدیم ظاهر میشود.
اگرچه دوچرخههای برقی از نظر الزامات فنی نسبت به A00 و ذخیره انرژی پایینتر و نسبت به قیمت حساستر هستند، خودروهای الکتریکی A00 از نظر پذیرش قیمت آسانتراند. باتریهای لیتیمی و سدیمی ساختارهای زنجیرهای صنعتی و فرآیندهای تولید مشابهی دارند و میشود از تجربه صنعتی سازی باتریهای لیتیم یونی برای مرجع استفاده کرد.
از سیستم باتری لیتیم یون موجود میشود در تولید بعضی مواد باتری استفاده کرد، مثلا روش تهیه الکترولیت مشابه توسط باتری لیتیم یونی با تنها تفاوت در این زمینه است که ماده اولیه کربنات لیتیم را با نمک سدیم جایگزین میکند و شرکتهای الکترولیت پیشرو هم بر ذخایر فنی الکترولیت سدیم-یون تسلط دارند.
علاوه بر این، مزایای مقیاس و تجربه فنی، تولیدکنندگان باتریهای لیتیمی را قادر میسازد تا از تخصص صنعت خود برای کمک به بهبود زنجیره صنعتی باتریهای یون سدیم و تسریع ساخت، راهاندازی و صعود خطوط تولید استفاده کنند. بنابراین، انتظار میرود که تولیدکنندگان باتریهای یون سدیم در کارآیی تکرار عملکرد سریعتر عمل کنند، و بتوانند پس از تأیید بازار سریعتر با نیازهای پاییندستی تنظیم و سازگار شوند.
آینده باتریهای سدیم یون
بسته به اینکه آیا باتری سدیم یونی بتواند با موفقیت خود را با نیازهای پایین دست سازگار و تولید انبوه را آغاز کند، تأیید تجاری تنها اولین گام است و بعد از آن هنوز هم لازمست که به سرعت به تکرارهای عملکردی دست یافت. از سوی دیگر، حفظ مزیت هزینه باتریهای لیتیمی به تلاش برای کاهش هزینه یون سدیم بستگی دارد که از حرکت ترنسایمیج برای افزایش مقیاس ظرفیت تولید قابل مشاهده است.
این مساله همچنین تحت تأثیر روند قیمت منابع لیتیم است، یعنی اینکه آیا باتری سدیم یونی همچنان میتواند مزیت مقرون به صرفه را در صورت کاهش قیمت نمک لیتیم حفظ کند یا نه. با توجه به محدوده عمر چرخه فعلی، باتریهای یون سدیم فقط برای بعضی از وسایل نقلیه الکتریکی کمسرعت، ایستگاههای پایه ارتباطی، مراکز داده و سایر زمینههای ذخیره انرژی با اندازه کوچک و متوسط مناسباند.
اگر بتوان ضریب نفوذ در این زمینهها را در آینده به ۳۰-۲۰٪ افزایش داد، طبق محاسبات اوراق بهادار صنعتی، ظرفیت نصب شده باتریهای سدیم یونی در سال ۲۰۲5 به حدود ۳۲.۶ گیگاوات ساعت خواهد رسید. با فرض اینکه ضریب نفوذ بتواند طبق دادههای EVTank به ۱۰۰٪ برسد، فضای بازار نظری میتواند در سال ۲۰۲۶ به ۳۶۹.۵ گیگاوات ساعت برسد و اندازه بازار را به ۱۵۰ میلیارد RMB برساند.
روند توسعه انرژی سدیم نشان میدهد که تنها با شرطبندی روی یک مسیر فنی برای باتریهای لیتیمی، توسعه منابع جدید انرژی در آینده ممکن است همچنان با کمبود منابع مواجه شود. مزیت ارتقاء باتری سدیم اینست که فشار عرضه باتریهای لیتیمی را برای سناریوهای مصرف برق بالا کاهش میدهد و نیازهای ظرفیت نصب شده سایر میدانهای پایین دستی را با کمک مزایای کمهزینه برآورده میکند.
شرکت باتریسازی چینی CATL قصد دارد بهزودی از باتریهای سدیمیونی خود که با نام SI یا Na+ هم شناخته میشوند، رونمایی کند؛ اما مزایای و معایب این باتریهای تازه چیست و آیا میتوانند جایگزین مناسبی برای نمونههای متداولتر لیتیمیونی باشند؟
پتانسیل بالا
شرکت کانتمپورری آمرپکس تکنولوژی یا همان CATL در زمینه ساخت پایه سلول باتری سدیمیونی پیشرفت چشمگیری داشته است. این مجموعه با استناد به تحقیقاتش، معتقد است که استفاده از سدیم میتواند هزینههای ساخت باتری را بار دیگر کاهش دهد. چینیها در مراسم اعلام این رخداد به جزئیات طرح خود هم توجه کرده و سلولها و سیتسم باتری را به نمایش گذاشتند. CATL برای جبران نقوص نسل نخست سلولهای سدیمیون، از ترکیب سدیمیون و لیتیمیون برای تهیه نخستین بسته باتری خود استفاده کرده است.
باتریساز چینی اعلام کرده که چگالی انرژی باتریهای سدیمی کنونی برابر ۱۶۰ واتساعت بر کیلوگرم است اما در نسل بعدی به بیشاز ۲۰۰ واتساعت بر کیلوگرم خواهد رسید.
آنود سخت کربنی
دکتر «هِتزله»، یک متخصصان باتری از «ZSW»، میگوید:
احتمالا توسعهدهندگان CATL مشکلات شناختهشده سلولهای سدیمیونی را حل کردهاند که مورد تازهای نیست. برای نمونه، ۲۰ درصد گنجایش باتری در طول نخستین شارژ از دست میرود.
موفقیت شرکت چینی بهخاطر رفع مشکل کربن آمورف در بخش آنود است که با نام کربن سخت نیز شناخته میشود؛ چراکه افت ظرفیت غیرقابل برگشت و قابلیت شارژ سریع دارد. تلاش CATL در حوزه مواد اولیه به نتیجه رسیده است که موجب ساخت نمونههای اولیه باتریها و عقد قراردادهای گوناگون میان این شرکت و خودروسازان شده است.
هتزله در ادامه میگوید که مزیت اصلی فناوری یادشده آن است که از مواد اولیه کمهزینه در سراسر باتری استفاده شده است. نهتنها لیتیم بلکه کاتودهای متداول فلزی مانند نیکل و کوبالت هم جایگزین شدهاند. او تصور میکند که سدیمیون باوجود معایبی چون چگالی پایین انرژی، همچنان میتواند در انواع وسایل نقلیه با ابعاد و وزنهای گوناگون مورداستفاده قرار گیرد؛ هتزله عنوان میکند که صنایع درصورتی به این مهم پی خواهند برد که هزینهها و مزایای این فناوری را سبک سنگین کنند.
سدیمیون زودتر از آنچه وارد خودروهای برقی شود، به باتریهای ایستگاههای ثابتی چون سیستمهای خورشیدی ورود میکند چون چگالی انرژی در این محصولات نقش چندان اساسی ندارد. نتیجه این متخصص از این صحبتها این است کهCATL وارد فاز تولید انبوه خواهد شد چراکه با اختلاف زیاد مالک این بازار در چین به شمار میرود و هدف مسلم آن هم تبدیل شدن به قهرمان جهانی باتری است. چند صد دانشمند در مراکز تحقیقاتی این شرکت بهصورت همزمان روی این فناوری کار میکنند که با توجه به ابعاد و شهرت CATL طبیعی است.
رقیبی به نام سلول LFP
شرکت مشاوره «P3» که کار بنچمارک و تست تمام باتریهای بازار را انجام میدهد، دیدگاه دکتر هتزله و ZWS را تایید میکند. این شرکت میگوید که مزایای سدیم در برابر لیتیم هنگام استفاده از آنها در باتریها شامل قدرت عملکردی شارژ و دشارژ بیشتر و امکان استفاده از قدرت بالاتر در محصولات کوچکتر و ایستگاههای ثابت است؛ هرچند که هنوز برای تعبیه در خودروها آمادگی لازم را ندارند. این مجموعه رقیب اصلی سدیمیون را در بخش چگالی انرژی،LFP (لیتیم-آهن فسفات) میداند.
تجهیز فرایند تولید کنونی
به احتمال زیاد، باتریهای سدیمیون زودتر از باتریهای افسانهای حالت جامد آماده ورود به بازار شوند. با این وجود کسی درباره قیمت احتمالی این محصولات سخن به میان نمیآورد. در حالت خوشبینانه میتوان تصور کرد که در باتری سدیمیونی، هزینه هر کیلووات ساعت انرژی برابر ۳۰ دلار باشد.
باتریهای سدیمیونی میتوانند پس از سال ۲۰۲۵ و با شعار هماهنگی بیشتر با محیط زیست، هزینه کمتر و عملکرد بهتر رقیب جدی فناوری LFP شوند. سرانجام تمام صنعت حملونقل برقی روی کاهش هزینهها تمرکز دارد.
منبع: Takoma Batter
