10 دقیقه
کشف نوآورانه: باتریهای سدیمی که در دماهای زیر صفر کار میکنند
تیمی از پژوهشگران به سرپرستی ی. شرلی منگ در دانشگاه شیکاگو و همکارانش روشی برای پایدارسازی یک الکترولیت جامد سدیمی با هدايت فوقالعاده یافتهاند که امکان عملکرد قوی باتریهای تماماً جامد سدیمی را در دمای اتاق و حتی در دماهای زیر صفر فراهم میکند. این پیشرفت یکی از محدودیتهای اساسی باتریهای جامد مبتنی بر سدیم را حل میکند و ترکیب شیمیایی سدیم را بهعنوان جایگزینی ارزانتر و در دسترستر نسبت به لیتیوم به کاربردهای عملی نزدیکتر میسازد. در این مقاله به زمینه علمی، روشهای فنی، نتایج کلیدی و پیامدهای کاربردی این کار تحقیقاتی میپردازیم و نکاتی برای توسعههای بعدی مطرح میکنیم.
پیشزمینه علمی و اهمیت موضوع
باتریهای تماماً جامد، الکترولیتهای قابل اشتعال مایع را با الکترولیتهای جامد جایگزین میکنند؛ تغییری که ایمنی را افزایش داده و امکان طراحیهایی با چگالی انرژی بالاتر را فراهم میسازد. تا کنون تمرکز عمده پژوهشها روی لیتیوم بوده است، زیرا شیمیهای مبتنی بر لیتیوم هدایت یونی بالایی ارائه میدهند و مسیرهای تولید صنعتی آنها نسبتاً تکاملیافته است. با این حال، لیتیوم گران، از نظر جغرافیایی محدود و استخراج آن در مقیاس بزرگ چالشهای زیستمحیطی مهمی دارد.
سدیم بهعنوان یک جایگزین جذاب مطرح است: فراوانتر است، هزینه کمتر و ردپای زیستمحیطی کمتری دارد. با این وجود، باتریهای تماماً جامد مبتنی بر سدیم در گذشته با مشکلاتی مانند هدایت یونی پایین و کارایی الکتروشیمیایی محدود در دماهای عملی و هنگام استفاده از الکترودهای ضخیم مواجه بودهاند که کاربرد آنها در دنیا واقعی را دشوار کرده است. این محدودیتها مانع از آن میشد تا از مزایای اقتصادی و فراوانی سدیم در کاربردهای بزرگمقیاس مانند ذخیرهسازی شبکه یا برخی خودروها بهره برده شود.
در نتیجه، پیشرفت در هدایت یونی، ثبات فازهای الکترولیت و یا بهبود سازگاری سطحی با الکترودها از اهداف تحقیقاتی کلیدی برای تحقق باتریهای جامد سدیمی بودهاند. کاری که گروه منگ انجام داده است، ترکیبی از مهندسی فاز کریستالی، پردازش حرارتی دقیق و تطبیق سطحی الکترودها است که میتواند مسیر جدیدی برای ارتقای عملکرد عملیاتی و ساختنی بودن صنعتی باتریهای سدیمی باز کند.
چگونه تیم پژوهشی فاز ناپایدار را پایدار کرد
تیم تحقیقاتی روی ساختار کریستالی ناپایدارِ یک ترکیب سدیمی به نام سدیم هیدریدوبورات (sodium hydridoborate) تمرکز کرد؛ یک الکترولیت جامد حاوی سدیم که در برخی فازهای آن پتانسیل هدایت یونی بالایی نهفته است. طبق گفتهٔ سام اوه، نویسندهٔ اول مقاله (وابسته به موسسه تحقیقات مواد A*STAR سنگاپور و پژوهشگر مهمان در آزمایشگاه منگ)، این فرم ناپایدار دستکم یک مرتبهٔ بزرگتر از فازهای پیشین هدایت یونی نشان میدهد و نسبت به پیشساز آن نیز سه تا چهار مرتبهٔ بزرگتر است. چنین افزایشهایی در هدایت میتواند تفاوت اساسی در امکانپذیری الکترودهای ضخیم و کاربرد در دماهای پایین ایجاد کند.
پردازش حرارتی برای تثبیت هدایت بالا
پژوهشگران از یک فرایند حرارتی کنترلشده استفاده کردند: پیشساز ناپایدار را تا نقطه شروع بلورین شدن گرم کردند و سپس به سرعت سرد نمودند. این تثبیتِ کنشمحوری (kinetic stabilization) — که در علم مواد یک روش شناختهشده است — این امکان را فراهم آورد تا ساختاری بلوری قفل شود که اگرچه از نظر ترمودینامیکی ارجح نیست، اما مسیر حمل و نقل یون سدیم را بهسرعت ممکن میسازد. نکتهٔ کلیدی در این روش، کنترل دقیق نرخ گرم و سرد کردن و نیز زمانبندی فرایند است تا از رشد ناخواسته فازهای کمتر هادی جلوگیری شود.
پس از تثبیت الکترولیت، گروه آن را با کاتد لایهای از نوع O3 ترکیب کرد که پوششی از الکترولیت جامد مبتنی بر کلرید روی آن اعمال شده بود. این ترکیب امکان تولید کاتدهای ضخیم با بار سطحی (areal loading) بالا را به جای کاتدهای نازکی که معمولاً در شرایط هدایت یونی محدود استفاده میشدند، فراهم کرد. چنین کاتدهای ضخیمی به طور مستقیم بر چگالی انرژی عملیانی تاثیر میگذارند.
سام اوه توضیح داد: «هرچه کاتد ضخیمتر باشد، چگالی انرژی نظری باتری — یعنی مقدار انرژی موجود در واحد سطح — افزایش مییابد.» کاتدهای ضخیم سهم مواد غیرفعال را کاهش میدهند و نسبت مادهٔ فعال کاتد را بالا میبرند که در عمل انرژی در واحد سطح مفیدتر و اقتصادیتر میشود. از منظر طراحی سیستم، این مزیت به کاهش وزن مجموعه و هزینهٔ نهایی به ازای هر کیلووات-ساعت کمک میکند، به ویژه زمانی که مادهٔ فعال کاتد حاوی فلزات گرانقیمت یا فرآیندهای پیچیدهٔ هدفیابی نباشد.
تحقیقات جدید از آزمایشگاه ی. شرلی منگ، استاد مهندسی مولکولی در مدرسهٔ Pritzker دانشگاه شیکاگو، نشان میدهد که باتریهای تماماً جامد مبتنی بر سدیم میتوانند به معیارهای عملکردی نزدیک شوند که پیشتر فقط برای سیستمهای لیتیومی ممکن بود. اعتبار تصویر: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Jason Smith
نتایج کلیدی و پیامدها
- هدایت یونی: فاز ناپایدار تثبیتشدهٔ سدیم هیدریدوبورات نشاندهندهٔ بهبود چشمگیر در هدایت یون سدیم نسبت به فازهای گزارششدهٔ پیشین است، که اجازه میدهد انتقال بار در الکترولیت جامد حتی در دماهای پایینتر با راندمان مناسب انجام شود. از منظر فیزیکی، افزایش هدایت میتواند نتیجهٔ مسیرهای بازتر برای یونها، چگالی نقص مناسب و ساختار بلوری با انرژی فعالسازی کم برای حرکت یون باشد.
- عملکرد در دماهای پایین: سلولهای باتری مجهز به این الکترولیت جدید و کاتدهای ضخیم، عملکرد پایدار را در دمای اتاق و شرایط زیر صفر حفظ کردند — گامی بزرگ به سمت استفادهٔ عملی در نواحی با اقلیم معتدل و سرد یا کاربردهای خارج از خودرو که در معرض دماهای پاییناند. این ویژگی مهم است، زیرا بسیاری از باتریها در دمای پایین کارایی و توانایی شارژ سریع خود را از دست میدهند.
- قابلیت تولید و صنعتیسازی: از آنجا که روش تثبیت از فرآیندهای حرارتی شناختهشده و قابل کنترل استفاده میکند، این رویکرد احتمالاً راحتتر توسط صنعت قابلپذیرش و مقیاسپذیر است نسبت به سنتزهای شیمیایی کاملاً جدید یا فرآیندهای پیچیدهای که نیاز به تجهیزات اختصاصی دارند. این موضوع میتواند زمان ورود به بازار و هزینهٔ توسعه را کاهش دهد.
ی. شرلی منگ، استاد خانواده لیو در مهندسی مولکولی، گفت: «موضوع بین سدیم و لیتیوم نیست. ما به هر دوی آنها نیاز داریم.» او افزود: «زمانی که به راهحلهای ذخیرهسازی انرژی فردا فکر میکنیم، باید تصویر کارخانههای غیرفقط-لیتیومی را در نظر بگیریم؛ کارخانههایی که هم محصولات مبتنی بر لیتیوم و هم محصولات مبتنی بر سدیم را تولید کنند. این تحقیق ما را به آن هدف نزدیکتر میکند و در عین حال علم پایه را نیز جلو میبرد.» این دیدگاه بر انعطافپذیری اکوسیستم تولید و مزایای همزیستی فناوریها تاکید دارد: پذیرش همزمان چند شیمی باتری میتواند ریسک زنجیرهٔ تامین و نوسانات قیمت مواد اولیه را کاهش دهد.
تکنولوژیهای مرتبط و چشماندازهای آینده
این کار در نقطه تلاقی چند جهت تحقیقاتی فعال قرار دارد: کشف الکترولیتهای جامد جدید، مسئلهٔ سازگاری و رابط بین الکترولیت و الکترود، و پردازشهای حرارتی مقیاسپذیر. پوششهای کلریدی روی کاتد نوع O3 سازگاری بین سطحی را بهبود میبخشند، در حالی که الکترولیت تثبیتشده امکان بارگذاری سطحی بالاتری را میدهد که به چگالیهای انرژی نزدیک به مقادیری لازم برای خودروهای الکتریکی و ذخیرهسازی شبکه نزدیک میشود. ترکیب این سه جهت میتواند منجر به سیستمهای رسانای یونی مناسب و پایداری الکتروشیمیایی شود که در شرایط عملی عملیاتی بمانند.
با این وجود چالشهایی هنوز باقیماندهاند: پایداری چرخهای در بلندمدت باید اثبات شود تا از افت ظرفیت و مشکلات مربوط به رشد بینفازی یا تغییرات میکروساختاری جلوگیری شود. همچنین بهینهسازی سلولهای کامل (full-cell) با آندهای مناسب، کنترل سدیمی شدن آند، و اطمینان از سدیمدهی و تخلیهٔ پایدار مهم است. علاوه بر این، مقیاسبندی فرایند تثبیت حرارتی در حالی که ساختار میکرو و خلوص فازی را بهطور یکنواخت حفظ میکند، نیازمند توسعهٔ تجهیزات و کنترل کیفیت دقیق است.
با این حال، به دلیل اینکه این پردازش از تکنیکهای شناختهشدهٔ مهندسی مواد بهره میبرد، مسیر رسیدن به تولید آزمایشی یا پایلوت نسبت به برخی از شیمیهای پرریسک جدید شفافتر بهنظر میآید. شرکتهای فعال در زمینهٔ مواد باتری میتوانند این روشها را در خطوط موجود آزمون کرده و با اصلاحات کمّی در پارامترهای پخت و پوشش، به پذیرش صنعتی نزدیک شوند.
دیدگاه کارشناسان
«پایدارسازی یک فاز ناپایدار برای باز کردن مسیر هدایت یونی، راهحلی هوشمندانه و عملی است،» دکتر النا کیم، پژوهشگر در حوزهٔ باتریهای جامد (نمونهٔ فرضی)، میگوید. «اگر تیم بتواند چرخهٔ عمر طولانی و تکرارپذیری را با الکترودهای ضخیم نشان دهد و یکپارچگی مکانیکی را در طول تعداد چرخههای زیاد حفظ کند، این میتواند گامی تعیینکننده به سمت سیستمهای مبتنی بر سدیم باشد که در کاربردهای حساس به هزینه مانند ذخیرهسازی شبکه با لیتیوم رقابت کنند.»
نکات عملی که کارشناسان به آنها اشاره میکنند شامل مدیریت فشارهای مکانیکی داخل سلول هنگام استفاده از الکترودهای ضخیم، کنترل تشکیل لایهٔ بینفازی (interphase) پایدار، و اطمینان از سازگاری دما در طول چرخهٔ شارژ و دشارژ است. علاوه بر این، تحلیل هزینه-فایدهٔ جامع باید شامل هزینههای مواد، پردازش، ایمنی و چرخهٔ عمر باشد تا نشان داده شود که سدیم چگونه میتواند در موارد معین، گزینهٔ اقتصادیتر و پایدارتر باشد.
نتیجهگیری
مطالعهٔ هدایتشده توسط دانشگاه شیکاگو مسیر عملگرایانهای برای باتریهای تماماً جامد سدیمی با کارایی بالا ارائه میدهد، بهویژه از طریق تثبیت کنشمحوری یک فاز ناپایدار سدیم هیدریدوبورات با هدایت بالا و تلفیق آن با کاتدهای O3 پوششدادهشده با کلرید و بارگذاری سطحی بالا. این نتیجه شکاف عملکردی بین سیستمهای سدیمی و لیتیمی را کاهش میدهد و گزینهای فراوانتر و پایدارتر را برای ذخیرهسازی انرژی آینده پیش میکشد. با این همه، کار بیشتری در زمینهٔ دوام چرخهای، افزایش مقیاس تولید و بهینهسازی سلولهای کامل لازم است تا سرعت انتقال از آزمایشگاه به محصول تجاری مشخص گردد.
در مرحلهٔ بعدی، مطالعات باید بر اثبات طول عمر چرخهای در شرایط واقعی، بررسی رفتار در دماهای بسیار پایین و بالا، و ارزیابی اقتصادی و محیطی زنجیرهٔ تامین تمرکز کنند. اگر این گامها با موفقیت طی شوند، باتریهای سدیمی تماماً جامد میتوانند نقش مهمی در تنوعبخشی به بازار ذخیرهسازی انرژی ایفا کنند و گزینهای مقرونبهصرفه و پایدار برای کاربردهای گسترده ارائه دهند.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر