اتجاهات التكنولوجيا
بطارية أيونات الصوديوم: الاتجاه الجديد لمستقبل السيارات الكهربائية
يوليو 19, 2021
يشارك:
خلفية
تكلفة بطارية السيارة الكهربائية
لماذا تحتاج السيارات الكهربائية إلى بطاريات أفضل؟
تُعتبر السيارات الكهربائية، وخاصة تلك التي تستخدم الطاقة المتجددة لتوليد الكهرباء، نموذجًا مستقبليًا يُسهم في حماية المناخ العالمي. إلا أن شركات تصنيع السيارات استخدمت لسنوات الليثيوم النادر والمكلف نسبيًا في تكنولوجيا البطاريات، مما أدى إلى إبطاء وتيرة انتشار السيارات الكهربائية على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم.
على الرغم من الانتشار الواسع للسيارات الكهربائية والمركبات التجارية والدراجات الكهربائية، إلا أن استخدامها لا يزال محدوداً. فارتفاع الأسعار، وتعقيد مرافق الشحن، وعملية إنتاج البطاريات التي تستهلك كميات كبيرة من المواد الخام، كلها عوامل تعيق التطور السريع للمركبات الكهربائية.
لجعل السيارات الكهربائية متاحة على نطاق واسع، يجب على مصنعي السيارات طرح بطاريات أكثر قوة ومتانة واستدامة وبأسعار معقولة.
الصوديوم بدلاً من الليثيوم
مقارنة المواد
الصوديوم بدلاً من الليثيوم
قد تُشكّل بطاريات أيونات الصوديوم خيارًا عمليًا، وقد شهدت التطورات الأخيرة في هذا المجال تقدمًا ملحوظًا. في المستقبل القريب، قد تتمكن بطاريات أيونات الصوديوم من استبدال بطاريات الليثيوم المستخدمة في السيارات الكهربائية والهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.
يتمتع الليثيوم والصوديوم، وهما من المعادن القلوية، بخصائص كيميائية متشابهة للغاية. ورغم أن كثافة الطاقة في الصوديوم أقل مقارنةً بالليثيوم الأقل وفرة، إلا أن الصوديوم أسهل في الحصول عليه وسيكون سعره منخفضاً نسبياً.
إنجازات واعدة
تقدم النموذج الأولي
إنجازات واعدة
لا يزال أداء بطاريات أيونات الصوديوم في حدود 20 تتأخر بطاريات الليثيوم بسنوات عن بطاريات الليثيوم. والسبب هو أن الباحثين في العقد الماضي تقريبًا ركزوا فقط على تطوير أداء أقوى لبطاريات الليثيوم.
اليوم، لا تقتصر الأبحاث على المنشورات العلمية الرائدة فحسب، بل تشمل أيضاً نماذج أولية متطورة للغاية. ووفقاً لتقرير نُشر في مايو، فقد خضعت بطارية أيونات الصوديوم التي طُوّرت في كوريا الجنوبية لحوالي 500 دورة شحن كاملة قبل أن تنخفض سعتها إلى 80% من سعتها الأصلية.
بطارية أخرى، طوّرها فريق بحثي أمريكي صيني، قادرة على إتمام حوالي 450 عملية شحن لنفس سعة البطارية. أما بطارية أيونات الصوديوم الصينية الصنع، فرغم سعتها الأصغر، إلا أنها تحتفظ بنسبة 70% من سعتها بعد 1200 عملية شحن سريع لمدة 12 دقيقة.
قد لا يبدو الأمر مهمًا، لكن عمليًا، قد تتحمل هذه البطاريات عددًا أكبر من عمليات الشحن لأنها لا تُشحن عادةً بعد نفاذها في الاستخدام اليومي. إن تفريغ البطارية بالكامل ثم إعادة شحنها في التجربة يُؤدي إلى زيادة استهلاكها.
يُعدّ عنصر الليثيوم المعدني نادرًا وباهظ الثمن، إلا أن معظم تقنيات البطاريات الحالية تستخدم بطاريات الليثيوم. يوضح الشكل الأصلي الدول الرائدة من حيث احتياطيات الليثيوم في عام ٢٠١٩.
إضافةً إلى ذلك، لا تتطلب تقنية أيونات الصوديوم استخدام موارد نادرة. فلا حاجة لأملاح الليثيوم النادرة لصنع الكاثودات، إذ يكفي ملح الطعام. ويمكن تصنيع الأنودات عالية الأداء من الليغنيت والخشب وأنواع أخرى من الكتلة الحيوية. ولا حاجة للكوبالت أو مواد نادرة مماثلة في عملية الإنتاج.
البحث الأساسي
الجرافين وأيونات الصوديوم
هل يمثل ذلك اختراقاً في البحوث الأساسية؟
للصوديوم عيبان: فهو يزن ثلاثة أضعاف وزن الليثيوم، لذلك على الرغم من أن بطاريات الليثيوم تحتوي على أقل من 5٪ من إجمالي وزن البطارية، فإن البطارية التي تحتوي على أيونات الصوديوم ستظل تزن أكثر من بطارية الليثيوم.
إضافةً إلى ذلك، فإن أداء بطاريات الصوديوم أضعف. فبما أن أيونات الصوديوم تحمل جهدًا أقل بمقدار 0.3 فولت من بطاريات الليثيوم، يحدث فقدان حتمي لحوالي 10% من كثافة الطاقة. والأهم من ذلك، أن مصاعد الجرافيت في البطاريات الحالية لا تسمح بتراكم كمية كافية من الصوديوم.
بحسب تقرير صادر عن فريق عمل ألماني روسي بقيادة مركز هيلمهولتز للأبحاث العلمية (HZDR) في دريسدن بألمانيا، يمكن للكربون النانوي أن يساهم في حل هذه المشكلة. ويشير التقرير إلى أن استخدام مادة كربونية فائقة الرقة، وهي الجرافين ثنائي الطبقة، قادر على تخزين أيونات الصوديوم في المصعد بكمية أكبر من الجرافيت.
إذا أمكن تركيب أقطاب الجرافين في بطاريات الليثيوم في المستقبل، لتحل محل أنودات الجرافيت الشائعة الاستخدام اليوم، فقد يكون من الممكن زيادة سعة البطارية بشكل كبير.
قارن كراشينينكوف، وهو فيزيائي في مركز هيلمهولتز دريسدن روسندورف، الأمر بوضع كرة صغيرة بين ورقتين من الورق: استمر في إضافة كرات صغيرة بين الورق، وسيتم دفع الورق بعيدًا عن بعضه البعض، وستزداد الفجوة بين الورقتين.
تقنية متوافقة
بنية متعددة الطبقات
تقنية متوافقة؟
إذا نجحت بنية متعددة الطبقات لبطاريات الليثيوم، فهل يمكن تطبيقها أيضاً على المعادن القلوية الأخرى مثل الصوديوم؟ يأمل فريق من الباحثين من دريسدن وشتوتغارت وموسكو في معرفة ذلك باستخدام عمليات محاكاة متطورة بواسطة الحواسيب العملاقة.
لأن النماذج الأولية لبطاريات أيونات الصوديوم لم تعمل بشكل جيد حتى الآن لأن الصوديوم بالكاد يستطيع الدخول إلى مصعد الجرافيت، فإن حسابات الكمبيوتر تُظهر أن الصوديوم، تمامًا مثل الليثيوم، يمكن تضمينه بين طبقات الجرافين في بنية متعددة الطبقات.
في المستقبل، إذا تم تركيب أقطاب الجرافين في بطاريات أيونات الصوديوم بدلاً من أنودات الجرافيت الحالية، فقد يتم تحقيق سعة تخزين أعلى.
قد تُسهم نتائج هذه الدراسات في إحداث نقلة نوعية في تطوير بطاريات الصوديوم منخفضة التكلفة. وأوضح كراشينينكوف أن العمل نظري بحت ولا يدعو إلى تطوير جيل جديد من البطاريات في المستقبل القريب استنادًا إلى نتائج الدراسة وحدها، ولكنه قد يُقدّم أفكارًا جديدة قيّمة للمهندسين.
بطاريات المستقبل
التوقعات المستقبلية
بطاريات المستقبل
لحسن الحظ، لم تعد بطارية أيونات الصوديوم مجرد مفهوم نظري، ويبدو أن تحقيق طفرة في التقنيات ذات الصلة بات وشيكاً.
تُظهر أحدث النتائج أن هناك بالفعل بدائل عملية وبأسعار معقولة وفعالة من حيث الموارد لبطاريات الليثيوم باهظة الثمن، وقد تُحسّن هذه البدائل أداءها من خلال الهياكل متعددة الطبقات.
سيستغرق الأمر بالتأكيد بعض الوقت قبل أن تصبح تقنية بطاريات أيونات الصوديوم جاهزة للإنتاج الضخم والاستخدام في السيارات الكهربائية أو الهواتف المحمولة. ولكن بمجرد أن يحين الوقت المناسب، لن تكون هناك مشكلة كبيرة في تحويل خط الإنتاج من بطاريات الليثيوم إلى بطاريات أيونات الصوديوم لأن التقنية متشابهة نسبيًا.
