«پایان خطر آتش‌سوزی در خودروهای برقی»: ساخت نخستین باتری سدیم‌یونی حالت‌جامد فوق ایمن

چالش‌های ایمنی در فناوری لیتیوم‌یون

باتری‌های لیتیوم‌یونی که امروزه در دستگاه‌هایی نظیر تلفن‌های همراه و خودروهای برقی کاربرد گسترده‌ای دارند، با معضلی جدی به نام «فرار حرارتی» مواجه هستند. در این حالت، وارد شدن آسیب فیزیکی یا اتصال کوتاه می‌تواند یک واکنش زنجیره‌ای و افزایشی در تولید گرما ایجاد کند که در نهایت به آتش‌سوزی یا انفجار باتری منجر می‌شود. علاوه بر این، این باتری‌ها حاوی الکترولیت‌های مایع آلی هستند که با وجود فراهم کردن چگالی انرژی و قابلیت شارژدهی مناسب، بسیار قابل اشتعال هستند.

در مقابل، باتری‌های سدیم‌یونی به دلیل داشتن مواد کاتدی پایدارتر و پتانسیل الکتروشیمیایی کمتر نسبت به لیتیوم، به‌طور ذاتی ایمن‌تر محسوب می‌شوند؛ عاملی که احتمال وقوع فرار حرارتی را کاهش می‌دهد. با این حال، چگالی انرژی پایین‌تر و عمر کوتاه‌تر چرخه شارژ، همواره مانع اصلی فراگیر شدن این فناوری بوده است.

نوآوری کلیدی: الکترولیت جامد غیرقابل اشتعال

پژوهش جدید مسیر توسعه باتری‌های سدیم‌یونی را متحول کرده است. محققان موفق به ساخت ماده‌ای جامد حاوی گوگرد و کلر شده‌اند که می‌تواند عملکرد رسانایی مشابه الکترولیت مایع را ارائه دهد، اما با پایداری بسیار بیشتر و غیرقابل اشتعال بودن. این نوآوری با جایگزینی کامل الکترولیت مایع با یک الکترولیت جامد به دست آمده است.

عملکرد نمونه و بررسی ساختاری

عملکرد نمونه اولیه این باتری بسیار امیدوارکننده بوده است. باتری پس از ۶۰۰ چرخه شارژ با جریان ۰.۱ C، راندمان کولمبی ۹۹.۲۶٪ از خود نشان داد؛ رقمی که بسیار نزدیک به راندمان مشاهده شده در باتری‌های لیتیومی تجاری است.

یانگ ژائو، استاد مهندسی در دانشگاه وسترن کانادا، توضیح داد که این نوآوری با جایگزینی کامل الکترولیت مایع با یک الکترولیت جامد غیرقابل اشتعال به دست آمده است.

پژوهشگران برای درک بهتر مکانیسم عملکرد، با استفاده از فناوری پرتو ایکس در Canadian Light Source، مسیر حرکت یون‌ها و ساختارهای پیوندی در این الکترولیت جامد جدید را با دقت بررسی کردند.

مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی سدیم

این فناوری می‌تواند زمینه استفاده گسترده‌تر از باتری‌های سدیم‌یونی را فراهم کند، به‌ویژه در حوزه‌هایی که نیاز به ایمنی فوق‌العاده بالا دارند.

• ذخیره انرژی شبکه‌ای (BESS): آتش‌سوزی‌های اخیر در تأسیسات BESS در کالیفرنیا نگرانی‌ها را افزایش داده است و استفاده از سدیم می‌تواند راه‌حلی قابل‌اعتماد و ایمن ارائه دهد.
• فراوانی منابع: سدیم به‌مراتب فراوان‌تر و در دسترس‌تر از لیتیوم است، که تولید انبوه باتری‌های سدیم‌یونی را قادر می‌سازد تا هزینه‌های زنجیره تأمین را به شکل قابل توجهی کاهش دهند.
• بازیافت آسان‌تر: به دلیل نبود فلزات سنگین و مواد خطرناک، فرآیند بازیافت باتری‌های سدیم‌یونی نسبت به نمونه‌های لیتیومی ساده‌تر است.

رقابت صنعتی و ورود خودروسازان

چندین شرکت بزرگ خودروسازی و تولیدکننده باتری، با درک پتانسیل این فناوری، به سرعت وارد این عرصه شده‌اند:

آینده پژوهش

پژوهشگران در حال حاضر بر روی دستیابی به اهداف نهایی این فناوری متمرکز هستند. تلاش‌ها ادامه دارد تا نشان داده شود که این باتری‌های جدید، علاوه بر ایمنی، به چگالی انرژی مطلوب و قابلیت تولید صنعتی در مقیاس بزرگ نیز دست خواهند یافت؛ این نیازها برای رقابت مؤثر با سلطه باتری‌های لیتیوم‌یونی در بازار جهانی حیاتی هستند.