جنگ باتری‌ها

 

این روزها به هر سوی جهان نگاه می‌کنید، احتمالاً انتظار دارید مجبور باشید تنها نظاره‌گر جنگ باشید یا اخبار آن به گوشتان برسد. اما این همه آن چیزی نیست که جهان امروز تجربه می‌کند. در حالی که شرایط سیاسی و اقتصادی رویدادهای علمی را تحت تاثیر قرار داده اما جهان بر پایه رشد علم خود را بازنمایی می‌کند و این رویکرد تقریباً بخشی اساسی از آن چیزی بوده که در طول تاریخ معاصر ما را به جلو رانده است. در این میان شاید باور کردن یک رقابت تازه در عرصه تولید باتری یکی از همان موارد باورنکردنی در این نقطه پرتلاطم دنیا باشد. داستان رقابت باتری‌های سدیم-یون یا باتری سدیمی در مقابل باتری‌های لیتیوم-یون یا باتری لیتیومی ماجرای پرهیجان بخشی از علم و تجاری‌سازی برای محیط زیست و استفاده بهتر از انرژی است. داستان پرچالشی که بخش مهمی از صنایع الکتریکی دنیا را به خود معطوف داشته و فارغ از استفاده‌هایی که قرار است از این نوع از باتری‌ها بشود، برای داشتن جهان بهتر در حال تحقیق و بررسی است.

امروزه مجموعه‌ای از بنگاه‌ها در حال ساخت باتری‌هایی با پایه سدیم هستند که عنصری نزدیک به لیتیوم است. از آنجا که این عنصر ویژگی‌های شیمیایی بسیار شبیه به لیتیوم دارد، برای ساخت باتری بسیار مناسب به نظر می‌رسد. همچنین سدیم به وفور در آب‌های شور دریاها پیدا می‌شود، ذخایر آن هزاران برابر ذخایر لیتیوم در کره زمین است و با هزینه کمتری می‌توان آن را استحصال کرد. البته بسیاری از شرکت‌هایی که بر روی سدیم کار می‌کنند، چینی هستند اما پیگیری این فناوری در غرب می‌تواند راه مطمئن‌تری به سمت امنیت انرژی و رهایی از اتکای شدید به لیتیوم باشد. سدیم علاوه بر فراوانی، مزایای دیگری هم دارد. بهترین باتری‌های لیتیومی در الکترودهایشان از کبالت و نیکل استفاده می‌کنند. نیکل همانند لیتیوم کمیاب است و استخراج آن در روی زمین به محیط زیست آسیب می‌رساند.

همین توضیح کوتاه نشان از یک اتفاق بزرگ دارد که می‌تواند آینده را دگرگون کند. داستان پرماجرایی که روایت آن تفسیر واضحی بر این مطلب است که باتری‌ها چگونه جهان و زندگی ما را تغییر دادند.

انقلاب باتری لیتیومی

احتمالاً برای روایت این ماجرا باید اندکی به عقب بازگردیم و به روزی برویم که باتری‌های لیتیومی در دسترس ما قرار گرفتند. سوال اولی که در این میان می‌توان مطرح کرد این است که اصلاً باتری لیتیومی چیست و چه کاربردی در دنیای امروز ما دارد؟

باتری لیتیومی یا لیتیوم-یون نوعی باتری قابل شارژ است که از ترکیب برگشت‌پذیر یون‌های لیتیوم با جامدات رسانای الکترونیکی برای ذخیره انرژی استفاده می‌کند. باتری‌های لیتیومی در مقایسه با سایر باتری‌های قابل شارژ، با انرژی ویژه بیشتر، چگالی انرژی بالاتر، راندمان انرژی بیشتر، عمر چرخه و عمر زمانی طولانی‌تر مشخص می‌شوند. باتری‌های لیتیومی اولین‌بار در سال 1991 به بازار معرفی شدند اما در طول سه دهه گذشته چگالی انرژی حجمی آنها سه برابر افزایش یافته است. این ویژگی زمانی خود را نشان می‌دهد که بدانیم این بالا رفتن انرژی در برابر کاهش 10برابری هزینه‌ها بوده است. وقتی ادعا می‌کنیم باتری‌ها زندگی ما را تغییر داده‌اند بدون شک راه به اغراق نمی‌بریم؛ چرا که اختراع و تجاری‌سازی باتری‌های لیتیومی به عنوان یکی از بزرگ‌ترین تاثیرات اجتماعی در تاریخ بشر در میان تمام فناوری‌ها در نظر گرفته می‌شود. اگر بخواهیم برای این ادعا فقط یک شاهد بیاوریم باید به برندگان جایزه نوبل شیمی سال 2019 نگاهی دقیق‌تر داشته باشیم.

کمیته نوبل در سال 2019 «جان بی گودیناف» از ایالات‌متحده، «استنلی ویتینگهام» از بریتانیا و «آکیرا یوشینو» از ژاپن را به عنوان برندگان مشترک جایزه نوبل شیمی انتخاب کرد. اما آنچه برای روایت ما اهمیت دارد، دلیل گرفتن نوبل شیمی از سوی این افراد بود؛ این سه شیمیدان برجسته به دلیل ابداع باتری‌های لیتیوم-یون و تحول چشمگیری که در ابزارهای الکترونیک رقم زدند، جایزه نوبل شیمی را از آن خود کردند. امروزه باتری‌های لیتیوم-یون لوازم الکترونیکی مصرفی قابل ‌حمل، لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه و ماشین‌های الکتریکی یا آنچه انقلاب تحرک الکترونیکی نامیده می‌شود را فعال می‌کنند. همچنین این باتری‌ها کاربرد قابل توجهی برای ذخیره انرژی در مقیاس شبکه و همچنین کاربردهای نظامی و هوافضا دارند.

باتری لیتیومی از چه زمانی وارد زندگی ما شد؟

استنلی ویتینگهام در دهه 1970 الکترودهای بینابینی را ابداع و اولین باتری لیتیوم-یون قابل شارژ را بر اساس یک آند دی‌سولفید تیتانیوم و یک کاتد لیتیوم-آلومینیوم ایجاد کرد، اگرچه از مشکلات ایمنی رنج می‌برد و هرگز تجاری نشد. جان گودیناف این کار را در سال 1980 با استفاده از اکسید کبالت لیتیوم به عنوان کاتد گسترش داد. اما اولین نمونه از باتری مدرن لیتیوم-یون، که از آند کربنی به جای فلز لیتیوم استفاده می‌کرد، به‌وسیله آکیرا یوشینو در سال 1985 توسعه یافت که توسط تیم سونی و آساهی کاسی به رهبری یوشیو نیشی در سال 1991 تجاری شد. و این‌گونه بود که این دانشمندان حدود نیم‌قرن بعد از تلاش برای ابداع باتری لیتیومی جایزه نوبل گرفتند. آنها زندگی ما را به معنای واقعی تغییر دادند. تغییری که هر روز جهان ما را به دنیای متفاوت‌تری تبدیل می‌کند.

باتری لیتیومی؛ مزایا و معایب

اما این باتری‌ها برای رسیدن به امروز تغییرات زیادی کرده‌اند و دانشمندان همه تلاش خود را روی این مساله قرار داده‌اند که معایب آن را برطرف کنند. به این نکته باید توجه کنید که باتری‌های لیتیوم-یون اگر به درستی مهندسی و ساخته نشوند، می‌توانند به یک خطر تبدیل شوند؛ اما این خطر از کجا می‌آید؟ ساختار باتری‌های لیتیومی به گونه‌ای است که سلول‌ها دارای الکترولیت‌های قابل اشتعال هستند و اگر آسیب ببینند یا به طرز نادرستی شارژ شوند، می‌توانند انفجار و آتش‌سوزی به وجود بیاورند. مطالعات و تحقیقاتی برای باتری‌های لیتیوم-یونی شامل افزایش طول عمر، افزایش چگالی انرژی، بهبود ایمنی، کاهش هزینه و افزایش سرعت شارژ انجام شده است. همچنین تحقیقات در زمینه الکترولیت‌های غیرقابل اشتعال به عنوان مسیری برای افزایش ایمنی در حال انجام است. استراتژی‌ها شامل باتری‌های لیتیوم یون آبی، الکترولیت‌های جامد سرامیکی، الکترولیت‌های پلیمری، مایعات یونی و سیستم‌های به شدت فلوئوردار هستند.

امروزه پیشرفت‌های زیادی در توسعه و ساخت باتری‌های لیتیوم-یون که ایمن هم باشند، صورت گرفته است. تمام باتری‌های لیتیوم-یونی برای حذف الکترولیت قابل اشتعال در حال توسعه هستند. باتری‌های بازیافتی نادرست می‌توانند زباله‌های سمی ایجاد کنند و به‌طور ویژه از فلزات سمی و در معرض خطر آتش‌سوزی هستند. علاوه بر این، هم لیتیوم و هم سایر مواد معدنی استراتژیک کلیدی مورد استفاده در باتری‌ها مشکلات قابل توجهی در استخراج دارند، به‌طوری که لیتیوم در مناطق اغلب خشک آب فشرده است و سایر مواد معدنی اغلب مواد معدنی متعارض مانند کبالت هستند. هر دو موضوع زیست‌محیطی برخی از پژوهشگران را تشویق به بهبود بهره‌وری مواد معدنی و جایگزین‌هایی مانند باتری‌های آهن و هوا کرده است.

از همین پژوهش‌ها بود که ماجرای ورود باتری‌های سدیمی یا باتری‌های سدیم-یون آغاز شد.

پدیده عصر تازه؛ باتری سدیمی

از همان روزی که برندگان نوبل شیمی در حال ابداع و توسعه باتری‌های لیتیومی بودند، مطالعاتی برای توسعه باتری‌های سدیمی هم در حال انجام بود اما مطالعات بر روی ساخت باتری سدیمی اسیر انقلاب باتری لیتیومی شد. اولین مطالعات روی باتری‌های سدیم-یون در دهه 1970 و اوایل دهه 1980 صورت گرفت. در سال 1979، دانشمند فرانسوی، آرم‌اند، مفهوم «باتری صندلی گهواره‌ای» را پیشنهاد داده و پژوهش در مورد باتری‌های لیتیوم یون و سدیم یون را آغاز کرد. با این حال، در دهه 1990، باتری‌های لیتیوم یونی وعده‌های تجاری بیشتری را نشان دادند و باعث کاهش علاقه به باتری‌های سدیمی شدند. از آن زمان، تحقیقات در مورد باتری‌های سدیم یون راکد شد.

احتمالاً به گذر از قرن بیستم و یک دهه از قرن بیست و یکم نیاز بود تا در اوایل دهه 2010، باتری‌های سدیمی یک تجدید حیات فوری را تجربه کنند؛ تجدید حیاتی که عمدتاً ناشی از افزایش هزینه مواد خام باتری‌های لیتیومی بود. تا سال 2000 بود که کشف مواد آند کربن سخت نقطه عطفی را برای باتری‌های یون سدیم آغاز کرد.

باتری‌های سدیمی انواع مختلفی از باتری‌های قابل شارژ هستند که از یون‌های سدیم به عنوان حامل شارژ استفاده می‌کنند. در برخی موارد، اصل کار و ساختار سلولی آن شبیه به انواع باتری‌های لیتیومی است، اما لیتیوم را با سدیم به عنوان ماده کاتد جایگزین می‌کنند. این باتری‌ها در دهه‌های 2010 و 2020 مورد علاقه دانشگاهی و تجاری قرار گرفتند که عمدتاً به دلیل توزیع جغرافیایی نابرابر، اثرات زیست‌محیطی بالا و هزینه بالای بسیاری از مواد مورد نیاز برای باتری‌های لیتیومی بود.

اما همان‌گونه که در ابتدای این روایت هم گفتیم مزیت آشکار سدیم در برابر لیتیوم فراوانی طبیعی آن به ویژه در آب شور است. البته نباید فراموش کنیم که کبالت، مس و نیکل برای بسیاری از انواع باتری‌های سدیمی -برخلاف باتری‌های لیتیومی- نیاز نیستند و مواد آهنی فراوان‌تر در باتری‌های سدیمی به خوبی کار می‌کنند.

تجاری‌سازی باتری سدیمی

هر چند بحث درباره باتری‌های سدیمی در سال‌های اخیر بسیار داغ شده و این باتری‌ها به دلایل مختلفی که پیش از این گفتیم بسیار مورد توجه قرار گرفته اما ماجرا این است که هنوز تا رسیدن به فرآیند تجاری‌سازی آن و تولید به صورت انبوه زمان باقی مانده است. باتری‌های سدیمی در سال‌های اخیر در لحظه‌ای حساس قرار گرفته‌اند. این لحظه حساس همان زمانی است که این باتری‌ها را در مسیر تجاری‌سازی قرار داده است. در جولای 2021، یک کنفرانس مطبوعاتی در CATL، فناوری باتری سدیم یون را از پشت صحنه به جلوی صحنه آورد. طبق طرح CATL، زنجیره صنعت باتری‌های یون سدیم در سال 2023 ساخته و صنعتی خواهد شد. مفهوم محبوبیت فزاینده ذخیره‌سازی انرژی، باتری‌های یون سدیم را فوراً به درخشان‌ترین ستاره‌ای تبدیل کرده است که دایره ذخیره‌سازی انرژی و جامعه سرمایه‌گذاری به دنبال آن هستند.

در سال‌های اخیر چندین شرکت مهم دنیا مانند HiNa و CATL در چین، Faradion در بریتانیا، Tiamat در فرانسه و NATRON ENERGY در ایالات‌متحده، با هدف استفاده از اکسیدهای فلزات واسطه لایه‌ای سدیم به تجاری‌سازی باتری‌های سدیمی نزدیک شده‌اند. وسایل نقلیه الکتریکی با استفاده از باتری یون سدیم هنوز به صورت تجاری در دسترس نیستند، با این حال CATL، بزرگ‌ترین تولیدکننده باتری در جهان، در سال 2022 اعلام کرد که تولید انبوه این باتری‌ها را آغاز می‌کند. در فوریه 2023، شرکت فناوری باتری HiNa چین، یک باتری یون سدیم 140 وات بر کیلوگرم را برای اولین‌بار در یک ماشین الکتریکی آزمایشی قرار داد و Pylontech به عنوان سازنده پنل‌های ذخیره انرژی اولین گواهی باتری سدیمی را دریافت کرد.

با همه این تفاسیر اما چندین سوال همچنان وجود داشت؛ فرآیندی که نزدیک به 50 سال طول کشید تا باتری لیتیومی را با کیفیت امروز در اختیار ما قرار دهد، آیا با توجه به پیشرفت‌های تکنولوژی درباره باتری‌های سدیمی هم اتفاق می‌افتاد؟ آیا باتری سدیمی جایگزین باتری لیتیومی می‌شود؟ آیا باتری سدیمی برای تولید انرژی از باتری لیتیومی بهتر است؟ آیا باتری سدیمی از نظر محیط زیستی همه دغدغه‌ها را نسبت به باتری لیتیومی برطرف می‌کند؟ و سوالات متعدد دیگری که پژوهشگران را به سمت مقایسه باتری سدیم-یونی و باتری لیتیوم-یون سوق داد.

باتری سدیمی در برابر باتری لیتیومی

بحث‌های پیرامون باتری‌های لیتیومی و باتری‌های سدیمی مسیر را به سمتی برد که دانشمندان ناچار از مقایسه ویژگی‌ها و معایب این باتری‌ها شدند. آنچه به‌طور دقیق‌تر در بررسی مورد توجه قرار می‌گرفت این بود که آیا باتری‌های سدیمی آماده جایگزینی لیتیوم هستند؟

اولین نکته‌ای که در این میان مورد توجه قرار می‌گرفت این بود که با افزایش سرسام‌آور تقاضای باتری‌های لیتیومی ناشی از سیاست‌های جهانی و تغییر به سمت وسایل نقلیه الکتریکی با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، فشار بر مواد خام باتری به‌طور قابل توجهی افزایش یافته است. یکی از مهم‌ترین مسائلی که در این میان از سوی کارشناسان پیش‌بینی‌ شده کمبود عرضه مواد باتری مانند لیتیوم، کبالت و نیکل در دهه‌های آینده است. اساساً همین‌جا بود که بحث تنوع فناوری برای مقابله با این خطرات کلیدی مطرح و این سوال دوباره پرسیده شد که آیا باتری‌های یون سدیم راه‌حل این ماجرا هستند؟

باتری‌های سدیمی ممکن است جایگزین همه باتری‌های لیتیوم یونی موجود در بازار نباشند، اما برای کاربردهای خاصی مانند شبکه‌های بزرگ‌مقیاس یا حالت‌های حمل‌ونقل کوچک‌تر، که در آن تراکم انرژی بالا لزوماً مورد نیاز نیست، استفاده خواهند شد. با وجود این، برخی از فشارهای مواد خام و خطرات زنجیره تامین ناشی از باتری‌های لیتیومی را کاهش خواهند داد. این بدان معناست که فناوری یون-سدیم جایگاه ماندگاری در انتقال انرژی خواهد داشت و ما باید بر این اساس آن را مدیریت کنیم.

یکی از موارد مهمی که در مقایسه این دو نوع باتری مطرح می‌شود، ناآگاهی از بعضی تجربه‌ها در مورد باتری‌های سدیمی است. یکی از این موارد درباره بازیافت باتری‌های سدیمی مطرح شده است. برخی از پژوهشگران این سوال را مطرح می‌کنند که اگر مواد موجود در باتری‌های یون سدیم ارزش کمی داشته باشند، آیا بازیافت آنها سودآور خواهد بود؟ این نگرانی‌هایی است که باید در آینده نزدیک برطرف شوند و قانونگذاری مشابه سیاست‌های بازیافت باتری‌های لیتیومی برای اطمینان از بازیافت ایمن در پایان عمر این باتری‌ها و سازگاری آنها با محیط ‌زیست ایجاد شود.

باتری‌های سدیمی واقعاً چقدر عمر می‌کنند؟

مشابه روزهای اولیه باتری‌های لیتیومی، پاسخ به این سوال که باتری‌های سدیمی واقعاً چقدر عمر می‌کنند، ساده نیست. باتری‌های سدیمی در آستانه تجاری‌سازی هستند، با این حال، برای ارزیابی دقیق طول عمر باتری در شرایط مختلف، برنامه‌ها و الگوهای استفاده به همان روشی که داده‌های باتری بزرگ برای باتری‌های لیتیومی جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل می‌شوند، به مقادیر زیادی داده نیاز است. اگرچه انتقال دانش از فناوری‌های لیتیوم یون می‌تواند مفید باشد، اما در نهایت، باتری‌های سدیم یون به مواد مختلفی متکی هستند که بر واکنش‌های شیمیایی و الگوهای تخریب تاثیر می‌گذارند. مدل‌های پیچیده تخریب باتری که قبلاً برای باتری‌های لیتیومی اعمال شده‌اند و جمع‌آوری داده‌های اولیه، درک و پیش‌بینی طول عمر باتری‌های سدیمی را تسریع می‌کند. دانش حاصل می‌تواند به‌وسیله توسعه‌دهندگان باتری برای توسعه استراتژی‌های طراحی منطقی برای مواد سدیم-یون با طول عمر بالای چرخه مورد استفاده قرار گیرد.

ایمنی باتری‌های سدیمی

در حالی که اغلب ادعا می‌شود که باتری‌های سدیمی ایمن‌تر از باتری‌های لیتیومی هستند، در حال حاضر اطلاعات کمی در مورد خطرات ایمنی بالقوه باتری‌های سدیمی در دسترس است. استفاده از الکترولیت‌های آلی قابل اشتعال مانند باتری‌های لیتیوم یون خطر ایمنی را به همراه دارد. برخی از گروه‌های پژوهشی شروع به بررسی اثر سوء استفاده حرارتی از باتری‌های سدیمی کرده‌اند و نشان داده‌اند در طول فرار حرارتی، گازهای قابل اشتعال از الکترولیت منتشر می‌شود. با این حال، استفاده از مواد مختلف کاتد و آند در باتری‌های یون سدیم ممکن است امکان استفاده از حلال‌های الکترولیت مختلف با ایمنی بالاتر را نیز فراهم کند. یک راه‌حل بالقوه برای رفع نگرانی‌های ایمنی می‌تواند توسعه باتری‌های سدیم-یون حالت جامد باشد. این کار، مشابه تلاش‌ها در زمینه لیتیوم-یون است که در آن الکترولیت آلی قابل اشتعال با یک الکترولیت جامد جایگزین می‌شود تا ایمنی کلی باتری را بهبود بخشد. این امر می‌تواند چگالی انرژی باتری را بیشتر کند زیرا برای مثال می‌توان از آند فلزی سدیم-یون استفاده کرد. با این حال، چالش‌های عملکرد مربوط به رسانایی یونی، رابط‌های الکترود /الکترولیت، و رشد دندریت قبل از اینکه بتوان تجاری‌سازی این سیستم باتری را در نظر گرفت، ابتدا باید حل شود. با توجه به زمان‌های طولانی توسعه باتری‌های حالت جامد مبتنی بر لیتیوم، ممکن است این اتفاق در دهه آینده رخ ندهد.

آیا باتری‌های سدیمی پایدارتر از باتری‌های لیتیومی هستند؟

باتری‌های لیتیومی به دلیل اثرات زیست‌محیطی زیاد مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این باتری‌ها شامل فعالیت‌های معدنی با انرژی و آب می‌شود که بیشتر به تنوع زیستی محلی آسیب می‌رساند و باعث مصرف بالای انرژی و استفاده از مواد شیمیایی خطرناک و سمی در سراسر فرآیندهای تولید و بازیافت می‌شود. سوال این است که آیا می‌توان از این اثرات با باتری‌های سدیمی جلوگیری کرد؟ همچنین، بیشتر مراحل ساخت مواد مبتنی بر سدیم مشابه باتری‌های لیتیومی است، بنابراین ممکن است بر نیاز کلی به انرژی تاثیری نداشته باشد. از سوی دیگر بازیافت باتری‌های سدیمی مانند باتری‌های لیتیومی ضروری و در عین حال پیچیده است که به این معنی است که با تعویض آنها هیچ مزیتی حاصل نمی‌شود. آنچه واضح است این است که نباید فرض کنیم باتری‌های سدیمی تمام مشکلاتی را که در حال حاضر در رابطه با باتری‌های لیتیومی داریم، حل می‌کنند. آنها خطرات مشابهی را به همراه دارند و اگر در آینده نزدیک به حل این خطرات نپردازیم، ممکن است اشتباهات انجام‌شده با باتری‌های لیتیوم یون را تکرار کنیم. برای مراحل توسعه و تجاری‌سازی آینده باتری‌های یون سدیم، بسیار مهم است که صنعت و دانشگاه از نزدیک با هم همکاری کنند و مهم‌تر از همه، داده‌ها و بینش‌ها را با یکدیگر به اشتراک بگذارند. این امر پیشرفت فناوری را تسریع می‌کند و به حل چالش‌هایی مانند بازیافت، پایداری، پیش‌بینی طول عمر و ایمنی به نحو موثرتری کمک می‌کند.

بررسی ویژگی‌های باتری سدیمی و باتری لیتیومی

کاهش وابستگی به منابع لیتیوم و توسعه سیستم‌های باتری کم‌هزینه و با ایمنی بالا، همواره نیروی محرکه اکتشاف پایان‌ناپذیر باتری‌های سدیمی بوده است. با این حال، شعاع یون بزرگ به این معنی است که باتری‌های سدیم دارای کمبودهای ذاتی در چگالی انرژی هستند. برای مقایسه تفاوت میان باتری سدیمی و باتری لیتیومی می‌توان به ویژگی‌های زیر توجه کرد:

1- ایمنی

باتری سدیمی: باتری‌های سدیم ایمن‌تر هستند، زیرا به راحتی منفجر نمی‌شوند یا آتش نمی‌گیرند.

باتری لیتیومی: باتری‌های لیتیومی بیشتر در معرض آتش گرفتن یا انفجار هستند.

2- قابلیت شارژ مجدد

باتری سدیمی: باتری‌های سدیمی عمر کوتاه‌تری دارند و در مقایسه با باتری‌های لیتیومی می‌توان آنها را دفعات کمتری شارژ کرد.

باتری لیتیومی: باتری‌های لیتیومی عمر طولانی‌تری دارند و در مقایسه با باتری‌های سدیمی می‌توان آنها را بارها شارژ کرد.

3- کارایی

باتری سدیمی: باتری‌های سدیمی در مقایسه با باتری‌های لیتیومی عملکرد پایین‌تری دارند.

باتری لیتیومی: باتری‌های لیتیومی در مقایسه با باتری‌های سدیمی عملکرد بالاتری دارند.

4- اثرات زیست‌محیطی

باتری سدیمی: باتری‌های سدیم نسبت به باتری‌های لیتیومی با محیط زیست سازگارتر هستند زیرا از مواد فراوان و به راحتی در دسترس استفاده می‌کنند.

باتری لیتیومی: باتری‌های لیتیومی به فلزات و مواد معدنی کمیاب نیاز دارند که می‌تواند تاثیر منفی بر محیط زیست داشته باشد.

5- تراکم انرژی

باتری سدیمی: چگالی انرژی کمتر در مقایسه با باتری‌های لیتیومی

باتری لیتیومی: چگالی انرژی بالاتر در مقایسه با باتری‌های سدیمی

6- هزینه

باتری سدیمی: ارزان‌تر از باتری‌های لیتیومی

باتری لیتیومی: گران‌تر از باتری‌های سدیمی

7- کاربرد

باتری سدیمی: باتری‌های سدیمی برای کاربردهای ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ مناسب هستند.

باتری لیتیومی: باتری‌های لیتیومی برای دستگاه‌های قابل حمل و وسایل نقلیه الکتریکی مناسب هستند.

باتری‌ها چگونه کار می‌کنند؟

همه این نکات را درباره باتری‌های سدیمی و باتری‌های لیتیومی و ویژگی‌های آنها گفتیم. اما این روایت بدون بحث درباره چگونگی کارکرد باتری‌ها تقریباً ناقص است. باتری دارای سه جزء اصلی است: یک ماده رسانا به نام الکترولیت که بین دو قسمت انتهایی با بار مثبت به نام کاتد و با بار منفی به نام آند قرار می‌گیرد. هنگامی که باتری دستگاهی را تغذیه می‌کند، اتم‌های باردار به نام یون‌ها از طریق الکترولیت از آند به کاتد حرکت می‌کنند. هنگامی که باتری در حال شارژ شدن است، یون‌ها در جهت مخالف، از کاتد به آند، جریان می‌یابند. ‌

بر اساس فرآیند کار باتری‌ها، دانشمندان سدیم را به عنوان جایگزینی ممکن برای لیتیوم در باتری‌های قابل شارژ بررسی کرده‌اند. همان‌طور که گفتیم، سدیم یک نامزد جذاب است زیرا در همه جای زمین یافت می‌شود. با این حال، یک یون سدیم بیش از 25 درصد بزرگ‌تر از یک یون لیتیوم است. این تفاوت اندازه میان یون سدیم و یون لیتیوم، می‌تواند به تغییر حجم باتری منجر شود زیرا یون‌های سدیم از یک سر به سر دیگر حرکت می‌کنند. از سوی دیگر سدیم رسانایی کمتری هم نسبت به لیتیوم دارد. برای غلبه بر این محدودیت‌ها، دانشمندان در حال طراحی مواد کاتد و آند با خواص الکتریکی پیشرفته هستند. مهم‌ترین تلاش‌ها در این زمینه در چین در حال انجام است. از سوی دیگر، باتری‌های سدیمی بسیار کمتر تحت تاثیر دماهای پایین قرار می‌گیرند و به نظر می‌رسد نسبت به باتری‌های لیتیوم یونی، چرخه‌های شارژ /دشارژ بیشتری را تحمل کنند. این نتایج در حالی به دست آمده که هنوز قطعیت کاملی برای انبوه‌سازی باتری‌های سدیمی وجود ندارد و دانشمندان همچنان در فرآیندهای پیچیده‌ای به دنبال رفع مشکلات باتری‌های سدیمی هستند. مسیری که بسیاری از شرکت‌های تولیدکننده این باتری‌ها را وارد میدان رقابتی پیچیده و پر از چالش اما سرشار از دستاورد برای زندگی بشر کرده است.

باتری‌های سدیمی و باتری‌های لیتیومی در خودروهای برقی

در این میان اتفاق مهم دیگری هم در جهان به وقوع پیوست که نقش کلیدی باتری‌های لیتیومی و سدیمی را به رخ می‌کشید. در حال حاضر بسیاری از شرکت‌های خودروسازی مشغول کار روی تولید خودروهای برقی هستند. یکی از مهم‌ترین مسائل درباره عملکرد این خودروها، کارایی باتری و شکل بازیافت آنهاست. بر همین اساس و در جدیدترین اتفاقات، کمپانی CATL و کمپانی BYD می‌گویند که در شرف معرفی نوعی از باتری خودروهای برقی هستند که ترکیبی از سلول‌های لیتیوم یون و سدیم یون دارند. آنها فکر می‌کنند سلول‌های سدیم به مشکل عملکرد دمای پایین رسیدگی می‌کنند و سلول‌های لیتیومی نیاز به عملکرد خوب در رانندگی روزانه را برطرف می‌کنند. این خبر که در نمایشگاه خودرو شانگهای اعلام شد، همگان را معطوف به این مساله کرد که یکی از مهم‌ترین کشورهای جهان درباره کار روی باتری‌های سدیمی چین است. اما چرا چین چنین سرمایه‌گذاری بزرگی را در این زمینه آغاز کرده است؟

باتری‌های سدیمی و چین

«نیویورک‌تایمز» در گزارش مفصلی درباره تولید باتری‌های سدیمی به این نکته اشاره می‌کند که باتری‌های سدیمی چگالی انرژی کمتری دارند و به همین دلیل تعداد بیشتری از آنها برای برابری با ظرفیت انرژی باتری‌های لیتیومی نیاز است. این بدان معناست که فضای بیشتری برای مقدار معینی از انرژی هم مورد نیاز است. این یک مشکل برای استفاده در وسایل نقلیه است، اما مشکلی برای ذخیره‌سازی باتری در مقیاس شبکه نیست. تایمز می‌گوید، شرکت‌هایی که از لیتیوم به سدیم تغییر فضا می‌دهند، می‌توانند به سادگی دو برابر باتری‌های بزرگ را در یک فضای خالی نزدیک پنل‌های خورشیدی یا توربین‌های بادی قرار دهند.

همه این توضیحات نیویورک‌تایمز در این راستاست که نشان دهد قانون «کاهش تورم» که در آگوست 2022 در کنگره ایالات‌متحده تصویب شد، اساساً برای جبران سلطه چین بر تولید باتری‌های لیتیومی در سراسر جهان طراحی شده است. نیویورک‌تایمز می‌گوید تغییر فاز چین به سمت تولید باتری‌های سدیمی ممکن است کنترل این کشور را روی تولید باتری بیشتر کند. این گزارش تاکید می‌کند از 20 کارخانه‌ای که اکنون در سراسر جهان کار برنامه‌ریزی تولید باتری سدیمی را انجام می‌دهند یا در حال ساخت این محصول هستند، 16 کارخانه در چین قرار دارد. این گزارش پیش‌بینی می‌کند تا سال 2024، چین نزدیک به 95 درصد از ظرفیت جهان برای تولید باتری‌های سدیمی را در اختیار خواهد داشت. البته نویسنده گزارش نیویورک‌تایمز در پایان معتقد است به دلیل میزان تولید باتری‌های لیتیومی، همچنان خروجی باتری سدیمی بسیار ناچیز خواهد بود اما پیشرفت‌ها در زمینه سدیم در حال افزایش است.

چالش بزرگ چین چیست؟

چین با همه تلاشی که در زمینه تولید باتری‌های سدیمی انجام می‌دهد اما یک مشکل اساسی در این راه برای این کشور وجود دارد. با اینکه چین بسیاری از منابع لیتیوم در سراسر جهان را کنترل می‌کند، اما دسترسی کمی به خاکستر سودا دارد که منبع سدیم مورد نیاز برای تولید باتری است.

در اینجاست که دوباره ایالات‌متحده به میدان می‌آید؛ چرا که این کشور بیش از 90 درصد از ذخایر خاکستر سودا در جهان را در اختیار دارد. بر اساس گزارش نیویورک‌تایمز، در زیر صحرای جنوب غربی وایومینگ، ذخایر وسیعی از خاکستر سودا وجود دارد که از 50میلیون سال پیش تشکیل شده است. برای قرن‌ها، این معدن برای رفع نیازهای صنعت تولید شیشه آمریکا استخراج شده است.

با حداقل ذخایر طبیعی خاکستر سودا و عدم تمایل به اتکا به واردات از ایالات‌متحده، چین در عوض خاکستر سودای مصنوعی را در کارخانه‌های شیمیایی با سوخت زغال‌سنگ تولید می‌کند. بله درست خواندید! چین تجارت یون سدیم خود را با زغال‌سنگ تامین خواهد کرد. نویسنده گزارش نیویورک‌تایمز در اینجای گزارش قسم می‌خورد که این حرف کاملاً جدی است!

گزارش اضافه می‌کند صنعت خاکستر سودای مصنوعی چین سابقه‌ای در زمینه آلودگی آب خطرناک دارد که شامل فروریختن انبوهی از سرباره قلیایی در شرق مرکزی چین در سال 2016 است که ماشین‌ها را شسته و یک رودخانه بزرگ را آلوده کرد. آژانس محیط زیست این کشور همچنان در حال تلاش برای پاکسازی این صنعت است. با همه این اوصاف گزارش تاکید می‌کند که تقاضا برای باتری‌های سدیمی به سرعت در حال رشد است و بعید است که لیتیوم ماده غالب برای همیشه باقی بماند.

ایالات‌متحده و جا ماندن از فناوری باتری سدیمی

سدیم جایگزین جذابی برای لیتیوم است زیرا قیمت آن خیلی ارزان‌تر از لیتیوم است. تصور کنید که این تفاوت قیمت چه معنایی برای قیمت خودروهای الکتریکی جدید می‌تواند داشته باشد! همچنین تا حد زیادی در برابر کاهش عملکردی که امروزه باتری‌های لیتیومی را تهدید می‌کنند، مصون است. اما فناوری باتری سدیمی امروز جایی ایستاده که فناوری لیتیومی یک دهه پیش بود. این بدان معنا نیست که با گذشت زمان دستاوردها در مورد آن بهتر نمی‌شود، اما نشان می‌دهد که چیزهای زیادی وجود دارد که می‌تواند در این میان اتفاق بیفتد. از سوی دیگر، این واقعیت که خاکستر سودای زیادی در ایالات‌متحده وجود دارد احتمالاً دلیل اصلی برای دنبال کردن فناوری یون سدیم است. اگر آمریکا بخواهد در مورد باتری‌ها از چین جدا شود، سدیم ممکن است راهی برای رفتن باشد. اما همان‌طور که نیویورک‌تایمز اشاره می‌کند، تقریباً تمام تحقیقات اساسی در مورد باتری‌های سدیم یونی در حال حاضر در چین انجام می‌شود.

نیویورک‌تایمز در پایان گزارش خود به نکته عجیب دیگری هم اشاره می‌کند. نویسنده گزارش معتقد است اگر آمریکا بخواهد این فناوری را از دشمنش بدزدد، باید تغییر کند. سوال مهم اما این است که آیا ایالات‌متحده این کار را خواهد کرد؟ این گزارش می‌گوید، هیچ‌کس در خارج از چین توجه زیادی به امکان استفاده از باتری‌های سدیم یونی برای وسایل نقلیه یا ذخیره انرژی ندارد؛ اگرچه برخی از موسسات پژوهشی و صنعتی در ایالات‌متحده در حال انجام برخی تحقیقات در مورد این موضوع هستند. این در حالی است که در چین، ده‌ها آزمایشگاه با بودجه دولتی روی باتری‌های سدیم کار می‌کنند. این گزارش با این جمله به پایان می‌رسد: «10 سال بعد، آمریکا ممکن است بار دیگر دلیلی برای ابراز تاسف از اتکای خود به فناوری باتری چینی داشته باشد و بخواهد بداند چه اتفاقی افتاده است؟»

اولویت با کدام شاخصه است؟

همه آنچه تا اینجا گفتیم برای رسیدن به پاسخ این سوال بود که آیا باتری‌های سدیمی می‌توانند جایگزین مناسبی برای باتری‌های لیتیومی باشند. پاسخ به این سوال از جنبه‌های مختلفی در این مطلب بررسی شد اما در نهایت نتیجه‌گیری بر اساس شاخصه‌های دارای اهمیت برای هر تفکری متفاوت خواهد بود. بسیاری معتقد هستند گمان نمی‌کنند باتری‌های سدیم یونی بتوانند به تنهایی جایگزین باتری‌های لیتیوم یونی در خودروهای الکتریکی یا مکان‌های ذخیره‌سازی برای جایگزینی باتری‌های سرب اسیدی شوند. آنها می‌گویند در بهترین حالت باتری‌های سدیم یونی وسیله‌ای برای کاهش هزینه است و می‌توان از آن به همراه باتری‌های لیتیوم یونی برای کاهش هزینه کل بسته باتری استفاده کرد.

یک دیدگاه مهم این است که هسته اصلی رقابت میان باتری‌ها باید قدرت عملکرد آنها باشد تا هزینه. به عبارت دیگر؛ در بررسی این باتری‌ها باید ابتدا عملکرد و سپس کاهش هزینه مورد توجه قرار گیرد. کنار گذاشتن عملکرد فقط به خاطر هزینه، قرار دادن گاری بر اسب است.