أظهرت دراسة جديدة أن بطارية أيون الصوديوم التجارية التي تنتجها شركة صينية يمكن أن تتنافس مع بطارية ليثيوم أيون من شركة تسلا من حيث اتساق التصنيع ومؤشرات الأداء الرئيسية المتعددة، مما يفتح آفاقًا لتكنولوجيا البطاريات الجديدة منخفضة التكلفة هذه لتسريع تطبيقها في السيارات الكهربائية وتخزين طاقة الشبكة. وأشار فريق البحث إلى أنه إذا أمكن تحقيق المزيد من الاختراقات في قدرات الشحن في درجات الحرارة المنخفضة وكثافة الطاقة، فمن المتوقع أن تصبح بطاريات أيونات الصوديوم بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق.
وتعتمد الدراسة، التي نشرت في مجلة Cell Reports Physical Science، وهي مجلة تابعة لـ Cell Press، على بطارية أيون الصوديوم التجارية التي تم استخدامها في سيارات الركاب ومشاريع تخزين الطاقة واسعة النطاق في الصين. وتظهر النتائج أن هذه البطارية التي أطلقتها شركة هينا الصينية تقترب من مستوى بطاريات الليثيوم أيون التي تستخدمها حاليا شركة تسلا من حيث توحيد عملية التصنيع والأداء العام. ويعتقد الباحثون أن هذا الاكتشاف يعني أن تصنيع تكنولوجيا أيونات الصوديوم سيكون أسرع مما توقعه الكثيرون في الصناعة سابقًا.
قال موريتز شوتي، باحث البطاريات من جامعة RWTH Aachen في ألمانيا، إن الاتساق والأداء العالي والأداء في درجات الحرارة المنخفضة لهذه الدفعة من الخلايا يجعلها جذابة لتخزين الطاقة الثابتة، والخدمات المساعدة للشبكة، والمسافات القصيرة أو المركبات التجارية التي لا تراعي نسبيًا متطلبات التحمل، ولكنها أكثر اهتمامًا بالتكلفة وإمدادات الموارد. على مستوى المواد، تستخدم تقنية أيونات الصوديوم الصوديوم بدلاً من الليثيوم باعتباره الأيون الأساسي الحامل للتيار. وبمساعدة الصوديوم، وهو عنصر موجود على نطاق واسع وأكثر وفرة، من المتوقع أن يؤدي ذلك إلى تقليل تكلفة المواد الخام للبطاريات بشكل كبير وتخفيف مخاطر سلسلة التوريد على المدى الطويل.
من أجل تقييم الفجوة بين بطارية أيون الصوديوم Zhongke Hainan وبطارية الليثيوم المتقدمة من Tesla، أجرى فريق البحث اختبارًا منهجيًا على 120 خلية واستخدم طرق اختبار غير مدمرة مثل التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية لتقييم اتساق التصنيع. ثم قام الفريق باختبار الطاقة ومخرجات الطاقة لخلايا البطارية بمعدلات شحن مختلفة ودرجات حرارة تتراوح من -20 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية في ظل ظروف تحاكي الاستخدام الواقعي. ومن خلال التصوير بالأشعة السينية وتحليل التفكيك، وصف الباحثون أيضًا بعناية البنية الداخلية للبطارية، وحجم قطعة القطب، وتركيب المواد، والميزات المجهرية.
تظهر نتائج التحليل أن التصميم الهيكلي لبطارية أيون الصوديوم ناضج تمامًا، وذلك باستخدام تصميمات مثل الأذنين بدون إلكترود ومجمعات تيار ألمنيوم مزدوجة لتقليل المقاومة الداخلية وتحسين انتظام توزيع درجة الحرارة. يشبه تصميمه العام إلى حد كبير بنية بطارية Tesla الحالية. صرح شوته بصراحة أن الفريق "فوجئ بسرور" بتماسك هذه الدفعة من الخلايا، معتقدًا أن مستوى تصنيعها قد تجاوز بكثير الانطباع التقليدي عن "أول منتجات أيون الصوديوم التجارية". وبمعدلات عالية، تكون قدرات إنتاج بطارية أيون الصوديوم أفضل أيضًا مما توقعه الباحثون عادةً بالنسبة للمنتجات التجارية المبكرة.
على الرغم من أدائها المثير للإعجاب، تشير الأبحاث أيضًا إلى أن بطارية أيون الصوديوم لا تزال تعاني من عيوب رئيسية مقارنة ببطاريات أيون الليثيوم من الدرجة الأولى. فيما يتعلق بالشحن في درجات الحرارة المنخفضة، لا يزال أداء البطارية غير كافٍ. تتطلب التطبيقات التي يتم شحنها بشكل متكرر في ظل ظروف درجات الحرارة المحيطة المنخفضة استراتيجيات وخطط تشغيل أكثر تعقيدًا للإدارة الحرارية. اكتشف فريق البحث أيضًا محتوى نحاسًا مرتفعًا بشكل غير طبيعي وموزع بشكل غير متساوٍ في المناطق المحلية من الكاثود، مما أثار المزيد من التساؤلات حول دوره في الأداء على المدى الطويل وسلوك الشيخوخة.
في الوقت الحاضر، لا تزال بطاريات أيونات الصوديوم التجارية متخلفة عن منتجات أيونات الليثيوم الأكثر تقدمًا من حيث كثافة الطاقة، كما أن نضج التقنيات ذات الصلة منخفض نسبيًا أيضًا. ومع ذلك، تظهر الأبحاث أن هذا النوع من البطاريات لا يزال بإمكانه الحفاظ على أداء إخراج جيد في درجات الحرارة المنخفضة وبيئات التحميل العالية، مما يمنحه مزايا محتملة في تخزين الطاقة الثابتة وتطبيقات المركبات العاملة في المناطق الباردة. وقال شوته إنه في المستقبل، سيتم تعزيز جاذبية تكنولوجيا أيون الصوديوم بشكل أكبر إذا تمكنت من الحفاظ على كثافة الطاقة التنافسية مع التخلص من الاعتماد على المعادن مثل النيكل والنحاس.
وفي الخطوة التالية، يخطط فريق البحث للتركيز على تحسين سلوك شحن بطاريات أيونات الصوديوم في البيئات التي تقل درجة حرارتها عن 0 درجة مئوية لتحقيق شحن أكثر أمانًا وكفاءة في ظل الظروف الباردة القاسية. فيما يتعلق بأنظمة المواد، يعتبر تحسين أنود الكربون الصلب وصيغ المنحل بالكهرباء أحد أكثر الاتجاهات الواعدة. وقد تم تمويل الأبحاث ذات الصلة من قبل الوزارة الفيدرالية الألمانية للأبحاث والتكنولوجيا والفضاء والوزارة الفيدرالية للاقتصاد والطاقة، مما يدل على أن البحث العلمي الأوروبي والإدارات الحكومية تولي اهتمامًا وثيقًا بإمكانيات مسارات أيون الصوديوم في مشهد تكنولوجيا البطاريات من الجيل التالي.