خب بچهها، بذارین براتون یه خبر خفن و جدید رو درباره باتریهای سدیمی تعریف کنم. این باتریها، که خیلیا به چشم جایگزین ارزونتر و پایدارتر باتریهای لیتیومی بهشون نگاه میکنن، حالا با یه کشف جدید دارن حسابی اوضاعشون بهتر میشه.
یه تیم از دانشمندای ژاپنی اومدن و تونستن هم عملکرد باتریهای سدیم-یونی رو افزایش بدن و هم عمرشونو بیشتر کنن. حالا سدیم (Na) رو میدونین که چیه؟ یکی از فراوانترین عناصر زمین هست، یعنی نسبت به لیتیوم زیاد گیر میاد. واسه همین خب باتریهای سدیمی از همون اول جذاب بودن چون هم ارزون درمیاد و هم از نظر منابع تأمین بهتره.
ولی داستان اینه که باتریهای سدیمی هم چالشای خاص خودشونو دارن و همیشه اونطوری که باید، کارآمد نبودن. پس دانشمندها رفتن سراغ اینکه چجوری میشه کاتدشون رو بهتر کرد. (کاتد یعنی اون قسمتی از باتری که وقت شارژ و دشارژ، کلی ماجرای شیمیایی توش اتفاق میفته.)
این اواخر، مادهای به اسم اکسید سدیم-منگنز لایهای (NaMnO2) حسابی پیش دانشمندای این حوزه محبوب شده. حالا بدونین منگنز حقوقیش چیه! منگنز یه فلز واسطه است که هم ارزونتر از لیتیوم درمیاد هم گیر اومدنش آسونتره. و این یعنی — اگر بشه کارکردش رو تثبیت کرد — آینده باتریها دیگه محدود به لیتیوم و دردسرهای گرون و کمیاب بودنش نیست!
پروفسور شینایچی کومابا از دانشگاه علوم توکیو، که سرپرست تیم بوده، گفته: “نتایج ما نشون میده اکسیدهای بر پایه منگنز، راهحل پایدار و خیلی امیدوارکننده برای ساخت باتریهای سدیم-یونی با دوام بالا هستن.” یعنی اگه این روش پیش بره، حتی میشه ازش برای گوشی موبایل، ماشین برقی و کلی مصارف دیگه استفاده کرد که همیشه دغدغه عمر و قیمت باتری داشتن.
حالا بیایم یه کم جزئیتر بشیم. NaMnO2 (همون اکسید سدیم-منگنز)، خودش دوتا حالت کریستالی داره: آلفا و بتا. حالت آلفا (α-NaMnO2) ساختار لایهای داره، یعنی لایههای MnO2 (اکسید منگنز) صاف و مرتب روی هم چیده شدن و سدیمها هم بین این لایهها جا خوش کردن. حالت بتا (β-NaMnO2) یه کم ماجراش پیچیدهتره؛ لایههاش حالت زیگزاگی داره (یعنی شبیه خط صاف و منظم نیستن بلکه خم دارن) و باز هم سدیم بینشونه. ساخت حالت بتا معمولاً حرارت بیشتری میخواد و همین باعث میشه اکثراً این نسخه، سدیم کمتری نسبت به ایدهآلش داشته باشه و مشکلدار بشه (بهش میگن Na-deficient یعنی کمسدیم).
اینجا یه مسئله بزرگ وجود داشت — اگه دانشمندها زیادی تلاش کنن تا فاز بتا رو بدون کمبود سدیم درست کنن، معمولاً به فازهای ناپایدار میرسن که پر از نقص و اشکاله. یکی از مهمترینش همین ایراد ساختاریه به اسم stacking fault یا همون نقص در ترتیب چیدمان لایهها. این یعنی لایههای ماده تو فاصله خاصی بهدرستی رو هم نمیشینن و میلغزن یا میپرن بالا و پایین. این نقصها (که تو آزمایشگاه بهش میگن SF)، باعث میشه باتری تو چرخههای شارژ و دشارژ، ظرفیتش رو سریع از دست بده و کلاً برای مصارف جدی به درد نخوره!
اینجا دانشمندها اومدن و یه راه باحال پیدا کردن: دوتکردن کوپری! یعنی یه مقدار خیلی کم مس (Copper که همون فلز مسه) به فرمول اضافه کردن. این کار کمک کرد فاز بتا کاملاً تثبیت بشه و نقصهای ساختاری کمتری مشاهده بشه. تو این مطالعه، معلوم شد که فقط اگه مس اضافه بشه میشه ساختار را تثبیت کرد و عمر و عملکرد باتری رو بالا برد.
تجربههای عملی نشون داد که وقتی این کار رو انجام بدن، نمونه باتری NMCO-12 (همون ترکیب با مسِ مناسب)، بعد از ۱۵۰ بار شارژ و دشارژ هیچ کاهش ظرفیتی نشون نمیده! یعنی این باتری نه تنها عمرش خیلی بالاست، بلکه تو شرایط سخت هم برگشتپذیری و پایداری خوبی داره. اگه بخوایم فنیتر بگیم، دیگه مشکل “لغزش لایهای” (که همون anisotropic slab gliding هست — یعنی لایهها تو بعضی جهات بیشتر از بقیه سر میخورن) و تغییرات شدید حجم شبکه در حین استخراج یا وارد کردن سدیم هم نداریم.
جمع بندیش اینه که این فناوری جدید باعث میشه باتریهای سدیمی هم کمکم بیان تو میدون و ما دیگه واسه برق خودروها، موبایلها یا حتی ذخیره انرژی تو شبکههای برق مثل الان فقط رو باتریهای لیتیومی حساب نکنیم. تازه چون منگنز و سدیم ارزون و در دسترس هستن، این کار باعث میشه زنجیره تأمین هم دیگه دچار بحران و گرونیهای وحشتناک نشه.
در کل، این یه گام خیلی مهم به سمت یه آینده پایدارتر و سبزتره. اگه همه چی طبق آزمایشها و تخمینها پیش بره، شاید تا چند سال دیگه باتری گوشیت از سدیم باشه و دیگه نگران گرونی لیتیوم نشی! 😄
منبع: +
