تحظى أيونات الصوديوم باهتمام عالمي، كبديل لأيونات الليثيوم في البطاريات القابلة لإعادة الشحن. أيونات الصوديوم هي ناقلات شحن ممتازة، كما ترون من هذه التجربة البسيطة لبطارية كلوريد الصوديوم والماء.
يضع القادة العالميون في صناعة البطاريات رهانات كبيرة على بطاريات أيونات الصوديوم باعتبارها العمود الفقري المستقبلي للطاقة الصناعية الخضراء. إذا بحثت عن العالم أفضل 10 شركات مصنعة لبطاريات أيون الصوديومستلاحظ أنها تضم أيضًا أكبر الشركات المصنعة لبطاريات الليثيوم أيون.
نظرًا لأن كيمياء بطاريات أيونات الصوديوم وأيونات الليثيوم متشابهة، فإن الشركات المصنعة تستفيد من المعرفة التي أثبتت جدواها في بطاريات أيونات الليثيوم ومعدات الإنتاج للتطوير السريع لبطاريات أيونات الصوديوم. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك شركة Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. الصينية (CATL)، وهي واحدة من أفضل 10 بطاريات ليثيوم أيون الشركات المصنعة في الصين. أطلقت CATL الخاصة بهم الجيل الأول من بطارية أيون الصوديوم بكثافة طاقة تبلغ 160 وات/كجم.
نظرًا لأن بطاريات أيون الصوديوم أكبر حجمًا من بطاريات الليثيوم أيون المكافئة، فهي ليست مثالية للسيارات الكهربائية في الوقت الحاضر. ومن ثم يستهدف المصنعون سوق تخزين الطاقة، حيث الحجم ليس مهمًا ولكن التكلفة والأداء وسلاسل التوريد الآمنة هي الاعتبارات الرئيسية. يعتقد العلماء ذلك بطاريات أيونات الصوديوم هي الحل لتحدي تخزين الطاقة المتجددة.
في المستقبل، يمكنك أن تتوقع أن تصبح بطاريات أيونات الصوديوم أخف وزنًا وأكثر قوة. وهذا يعني أن هذه البطاريات ستصبح جذابة لسوق السيارات الكهربائية. ومع ذلك، ربما لاحظت أن سوق السيارات الكهربائية لم يكن قوياً في الآونة الأخيرة. وعلى الصعيد العالمي، تعثرت سوق السيارات الكهربائية، بسبب ارتفاع تكلفتها، والافتقار إلى البنية التحتية لإعادة الشحن، وفي كثير من الحالات، سحب الحوافز المالية. إضافي، قد يتم استبدال بطاريات الليثيوم أيون بخلايا وقود الهيدروجين في قطاع النقل. مع اقتصار استخدام الليثيوم أيون على المعدات الإلكترونية الأصغر حجمًا، يمكن لتقنية أيون الصوديوم المضي قدمًا على المدى الطويل.
ما هي بطارية أيون الصوديوم؟
بطارية أيون الصوديوم هي بطارية قابلة لإعادة الشحن تستخدم أيونات الصوديوم لنقل الشحنة الكهربائية داخل البطارية. تنتقل أيونات الصوديوم بين الأنود والكاثود، حاملة تيار الخلية الداخلي، أثناء كل دورة شحن وتفريغ.
كيف تعمل بطارية أيون الصوديوم؟
تستطيع أن ترى المبدأ الكامن وراء بطارية أيون الصوديوم في الشكل 1. أجزاء العمل الرئيسية للبطارية هي:
- الأنود، وهو مسامي قطب كهربائي ويحتوي على الكثير من ذرات الصوديوم القابلة للتأين على سطحه؛
- الكاثود، وهو أيضًا قطب كهربائي مسامي، بمساحة سطحية كافية لاستقبال أيونات الصوديوم القادمة من الأنود؛
- فاصل مسامي يمنع الاتصال الجسدي بين الأنود والكاثود، لكنه يسمح لأيونات الصوديوم بالانتقال بين الأنود والكاثود؛
- إلكتروليت سائل يحتوي على أملاح الصوديوم الذائبة. ال "الإلكتروليت" يعمل كخزان لأيونات الصوديوم التي تبدأ تيارًا داخليًا بمجرد إنشاء فرق الجهد بين الأقطاب الكهربائية.
في الشكل 1، تمثل الكرات الصفراء أيونات الصوديوم الموجبة الشحنة بينما تمثل الكرات الحمراء ذرات الصوديوم المحايدة. تصبح كل ذرة صوديوم محايدة أيونًا موجب الشحنة، عندما يتم سحب الإلكترون من غلافها الإلكتروني الخارجي.
لذلك، بمجرد تطبيق جهد خارجي من خلال شاحن أو بطارية أكبر، يتم سحب الإلكترونات من ذرات الصوديوم المرتبطة بالأنود. تتدفق هذه الإلكترونات إلى الدائرة الخارجية وتصل إلى الكاثود. يكتسب الكاثود إمكانات سلبية بسبب تراكم الإلكترونات.
في الوقت نفسه، تصبح ذرات الصوديوم الموجودة عند الأنود، بعد أن فقدت كل منها إلكترونًا واحدًا، أيونات موجبة وتترك الأنود. بسبب الفرق المحتمل، فإنها تنتقل عبر المنحل بالكهرباء باتجاه الكاثود. عند الكاثود، يتم تحييد أيونات الصوديوم الموجبة بواسطة الإلكترونات التي تصل إلى هناك من الدائرة الخارجية. وتتوقف ذرات الصوديوم المحايدة الناتجة عند الكاثود خلال الجزء المتبقي من دورة الشحن.
عند توصيل حمل خارجي وتفريغ البطارية، تبدأ الرحلة العكسية لأيونات الصوديوم المتوقفة عند الكاثود. تعود أيونات الصوديوم إلى الأنود من خلال المنحل بالكهرباء، بينما تنتقل الإلكترونات من الكاثود عبر الحمل الخارجي إلى الأنود. بمجرد وصولها إلى الأنود، يتم تحييد أيونات الصوديوم بواسطة الإلكترونات القادمة من الدائرة الخارجية. تقف ذرات الصوديوم المحايدة عند الأنود خلال بقية دورة التفريغ. وبالتالي، يتم قضاء كامل عمر أيونات الصوديوم في هذا النوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن في رحلات مكوكية بين الأنود والكاثود!
تعتمد الكثافة المرورية القصوى لأيونات الصوديوم على خصائص المنحل بالكهرباء بالإضافة إلى بناء الأنود والكاثود. هذه معلمات مهمة في تصميم البطارية، حيث تحدد كثافة الطاقة والتيار.
التطبيقات
يعتقد الخبراء أن التطبيقات المثالية لبطاريات أيون الصوديوم موجودة تطبيقات تخزين الطاقة الثابتة في قطاعي الطاقة المتجددة والصناعة. نعيمة يركز المشروع في الاتحاد الأوروبي على تطوير تكوينين من خلايا أيون الصوديوم الصديقة للبيئة والآمنة لقطاع تخزين الطاقة.
وفي الوقت نفسه، تم إنجاز أول نشر تجاري على مستوى العالم لبطاريات أيون الصوديوم في قطاع السيارات في الصين. أ مشروع مشترك بين JAC الصينية وفولكس فاجن الألمانية أطلقت سيارة ركاب ذات خمسة مقاعد تعمل ببطارية أيون الصوديوم بقدرة 25 كيلووات/ساعة، بمدى يصل إلى 250 كيلومترًا.
كما يتم أخذ بطاريات أيون الصوديوم في الاعتبار للأجهزة الإلكترونية الشخصيةمثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة. على الرغم من أنها أثقل من بطاريات الليثيوم أيون، إلا أنها أرخص وأكثر أمانًا، وكلاهما من الاعتبارات المهمة للمستهلك.
تطبيق آخر لبطاريات أيون الصوديوم هو في أنظمة الطاقة الاحتياطية، كما هو الحال في UPS لشركة Natron Energy .
كيف تغير بطارية أيون الصوديوم قواعد اللعبة:
ستجلب بطاريات أيونات الصوديوم العديد من الفوائد إلى أسواق البطاريات القابلة لإعادة الشحن. وتشمل هذه:
أمان أعلى
بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون، تعد بطاريات أيون الصوديوم أقل عرضة للاشتعال. قد تستخدم الأجيال القادمة من أيونات الصوديوم إلكتروليتات الحالة الصلبة والتي ستكون خالية تمامًا من هذا الخطر. على سبيل المثال، قام باحثون أستراليون بتطوير إلكتروليت بوليمر صلب غير قابل للاشتعالللاستخدام مع بطاريات أيونات الصوديوم. ويجري أيضًا دراسة استراتيجيات أخرى مختلفة للتخفيف من المخاطر الحرارية لبطاريات أيون الصوديوم بما في ذلك اختيار المواد لتحسين السلامة.
أقل تكلفة
تكلفة بطاريات أيون الصوديوم لكل كيلووات ساعة أقل من ثلث بطاريات الليثيوم أيون. بسبب تكلفة المواد الخام.
انخفاض مخاطر سلسلة التوريد
وعلى عكس الليثيوم، الذي يتم استخراجه وتكريره في عدد قليل من البلدان فقط، فإن الصوديوم متاح بسهولة في جميع أنحاء العالم. وهذا يقلل من مخاطر سلسلة توريد المواد الخام بشكل كبير.
بطارية أيون الصوديوم مقابل بطارية ليثيوم أيون
كمستهلك، أو مستثمر، إذا كان عليك الاختيار بين الاثنين، ما هو الطريق الذي ستسلكه؟ سوف تنظر إلى الفوائد المباشرة وميزات الأداء كمستهلك، في حين أنك، كمستثمر، ستنظر إلى قضايا أكبر وطويلة الأجل.
دعونا نقارن بين نوعي البطاريات عبر بعض المعايير الأساسية ذات الصلة بالمستهلكين وكذلك المستثمرين.
| معامل | بطارية ليثيوم أيون | بطارية أيون الصوديوم |
| نضج التكنولوجيا وسلاسل التوريد | التكنولوجيا ناضجة، وهناك سلاسل توريد عالمية راسخة. | يتم تسويق تكنولوجيا الجيل الأول. سلاسل التوريد المحدودة. |
| التكلفة | ~ 130 دولارًا - 180 دولارًا / كيلووات ساعة | ~ 40 دولارًا - 55 دولارًا / كيلووات ساعة |
| السلامة | ارتفاع خطر الانفلات الحراري بسبب اشتعال النيران في المواد الخلوية بسبب إنتاج الحرارة غير المنضبط | يوجد خطر الانفلات الحراري بالنسبة لبطاريات أيونات الصوديوم، ولكن يمكن التخلص منها عن طريق اختيار مواد الخلية وتصميمها في المستقبل. |
| كثافة الطاقة | 150 -250 واط/كجم | 100-160 واط / كغم |
| الجهد االكهربى | 3.0 ~ 4.5 فولت | 2.8 ~ 3.5 فولت |
| تخزين بدون شحن | لا ينصح به، سوف يقلل من عمر البطارية | مباح. لن يؤثر على عمر البطارية |
| مخاطر سلسلة التوريد | عالية، وذلك بسبب إمدادات الليثيوم التي تتركز في عدد قليل من البلدان. | منخفض المخاطر، حيث أن الصوديوم متوفر بكثرة وسهولة تكريره. |
بطاريات أيون الصوديوم – الحاضر والمستقبل
لقد ظهرت بطاريات أيونات الصوديوم في الوقت المناسب، حيث يتركز الاهتمام العالمي على إزالة الكربون من الطاقة. لقد أظهر الجيل الأول من بطاريات أيون الصوديوم العديد من المزايا مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون، لا سيما فيما يتعلق بمعايير التكلفة والسلامة.
ومع ذلك، فإن الطلب الحالي على هذه البطاريات القابلة لإعادة الشحن مدفوع بالسيارات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية الشخصية، حيث تهيمن بطاريات الليثيوم على السوق. ونظرًا لانخفاض كثافة الطاقة وزيادة الوزن، سيكون من الصعب على أيونات الصوديوم التنافس باستخدام بطاريات الجيل الأول. ومن ثم يتم بذل الكثير من جهود البحث والتطوير لتحسين كثافة الطاقة لبطاريات أيونات الصوديوم. في الواقع قد يكون هناك انفراج قريب، منذ ذلك الحين أعلنت شركة CATL أن الجيل القادم من بطارية أيون الصوديوم سيحقق 200 كيلووات ساعة/كجم. سيكون تحسين كثافة الطاقة بتكاليف تنافسية تحديًا لا ينتهي لجميع أنواع البطاريات. على سبيل المثال، تعمل شركة CATL مرة أخرى على تحديد الوتيرة هنا من خلال العمل على بطارية مستقبلية تعتمد على الليثيوم بطارية المادة المكثفة بقدرة 500 كيلووات ساعة/كجم.
على المدى المتوسط، ستؤدي زيادة استثمارات الطاقة المتجددة من قبل البلدان في جميع أنحاء العالم إلى زيادة الطلب على أنظمة تخزين الطاقة. ويرى مصنعو بطاريات أيون الصوديوم أن هذا هو الخيار الأفضل بمجرد انطلاقته.
وبصرف النظر عن الطاقة وكثافة الطاقة، تستمر تكنولوجيا بطاريات أيون الصوديوم في التطور لسد الفجوة مع تكنولوجيا أيون الليثيوم. يقوم العلماء بحل المشكلات المتعلقة بتدهور المواد، وتطوير أنودات وكاثودات وإلكتروليتات أرخص وأفضل، وتحسين السلامة والقدرة على إعادة التدوير.
ويجب أيضًا أن تتوسع سلاسل التوريد الخاصة ببطاريات أيون الصوديوم، الأمر الذي يجب القيام بالاستثمارات اللازمة من أجله.
في الختام، برزت بطاريات أيونات الصوديوم كمنافس جدي لنظيراتها من أيونات الليثيوم. ومع ذلك، سوف يستغرق الأمر سنوات عديدة من التطوير والنجاح التجاري قبل أن يتمكن المرء من القول إن بطاريات أيونات الصوديوم تمثل مستقبل الطاقة.
