بده‌بستان‌های لیتیوم و سدیم در شکل‌دهی باتری‌های نسل جدید خودروهای برقی

صنعت مدرن خودروهای برقی بر پایه یک عنصر اساسی بنا شده است: لیتیوم. اما با افزایش تقاضای جهانی و باقی ماندن عملکرد زمستانی به عنوان یک گلوگاه پایدار برای رانندگان در مناطق سردسیر، زنجیره تأمین خودرو به شدت در جستجوی جایگزین‌ها است. برای مصرف‌کننده، شیمی باتری همه چیز را تعیین می‌کند؛ از قیمت نهایی خودرو گرفته تا مدت زمان شارژ در یک سفر جاده‌ای، و مهم‌تر از همه، میزان بردی که با کاهش دما به زیر نقطه انجماد از دست می‌رود.

دستاوردهای اخیر در مهندسی باتری، یک جایگزین که مدت‌ها در حد تئوری بود را از آزمایشگاه به خط تولید سوق داده است. خودروسازان اکنون در حال تأیید بسته‌های باتری سدیم-یون هستند که قادرند تنها در ۱۱ دقیقه به شارژ کامل برسند. برای درک اهمیت این تحول، باید به نحوه عملکرد باتری‌های فعلی و محدودیت‌های فیزیکی آن‌ها توجه کرد.

در یک سلول استاندارد لیتیوم-یون، یون‌های لیتیوم در طول تخلیه از طریق یک الکترولیت مایع از آند منفی به کاتد مثبت حرکت می‌کنند و در طول شارژ دوباره بازمی‌گردند. این حرکت بسیار کارآمد است و چگالی انرژی فوق‌العاده‌ای به باتری‌های لیتیوم-یون می‌بخشد – که اغلب از ۲۵۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم (Wh/kg) فراتر می‌رود.[2]

با این حال، استخراج لیتیوم نیازمند منابع فشرده است، از نظر جغرافیایی متمرکز شده و در معرض نوسانات شدید قیمت قرار دارد. علاوه بر این، شیمی لیتیوم-یون در سرمای شدید دچار مشکل می‌شود. در دماهای زیر صفر، الکترولیت مایع چسبناک شده، انتقال یون‌ها را کند می‌کند و خطر پدیده‌ای مخرب به نام "آبکاری لیتیوم" (lithium plating) را در صورت شارژ سریع باتری، افزایش می‌دهد.[2]

باتری‌های سدیم-یون دقیقاً بر اساس همان اصل "صندلی گهواره‌ای" (rocking-chair) عمل می‌کنند، اما لیتیوم را با سدیم جایگزین می‌کنند – عنصری که بیش از ۵۰۰ برابر در پوسته زمین فراوان‌تر است و به راحتی از آب دریا یا نمک سنگ استخراج می‌شود. از آنجا که یون‌های سدیم از نظر فیزیکی بزرگتر و سنگین‌تر از یون‌های لیتیوم هستند، یک جریمه ساختاری را به همراه دارند.[1]

یک سلول سدیم-یون ذاتاً انرژی کمتری در واحد جرم ذخیره می‌کند و در طراحی‌های تولیدی فعلی معمولاً حداکثر به ۱۶۰ تا ۱۷۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم می‌رسد. این بدان معناست که یک بسته باتری سدیم-یون باید از نظر فیزیکی بزرگتر و سنگین‌تر باشد تا همان برد رانندگی معادل لیتیوم-یون را ارائه دهد.[1]

با وجود این جریمه وزنی، شیمی سدیم-یون در سرمای شدید دارای یک مزیت الکتروشیمیایی منحصر به فرد است. در حالی که سلول‌های لیتیوم-یون در هوای یخبندان از انتقال کند یون رنج می‌برند، یون‌های سدیم همچنان آزادانه در الکترولیت جریان می‌یابند.[1]

در عمل، یک بسته سدیم-یون می‌تواند بیش از ۹۰ درصد از ظرفیت قابل استفاده خود را در دمای ۲۰- درجه سانتی‌گراد (۴- درجه فارنهایت) حفظ کند. در حالی که یک بسته لیتیوم-یون مشابه ممکن است ۳۰ درصد یا بیشتر از برد خود را تحت شرایط کاملاً یکسان از دست بدهد، مگر اینکه انرژی به طور فعال از باتری برای گرم کردن بسته منحرف شود.[1][2]

یون‌های بزرگتر سدیم همچنین سینتیک انحلال‌زدایی (desolvation kinetics) مطلوبی از خود نشان می‌دهند – به این معنی که می‌توانند سریع‌تر از لیتیوم از الکترولیت جدا شده و وارد آند شوند. این ویژگی خاص همان چیزی است که موج جدید نمونه‌های اولیه شارژ فوق‌سریع ۴C و ۱۱ دقیقه‌ای را بدون ایجاد فرار حرارتی (thermal runaway) یا تخریب ساختار سلول، ممکن می‌سازد.[1]

فراتر از عملکرد، هزینه مواد اولیه برای یک سلول سدیم-یون اساساً ارزان‌تر است. این شیمی به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا جمع‌آورنده‌های جریان مسی گران‌قیمت را با آلومینیوم جایگزین کنند و نیاز به فلزات بحث‌برانگیز و پرهزینه‌ای مانند کبالت و نیکل را به طور کامل حذف می‌کند.[1]

صنعت خودروسازی برای جایگزینی کامل لیتیوم آماده نمی‌شود، بلکه برای یک انشعاب استراتژیک در بازار برنامه‌ریزی می‌کند. خودروهای رده بالا و با برد طولانی همچنان به بسته‌های لیتیوم-یون با چگالی انرژی بالا متکی خواهند بود، در حالی که مدل‌های سطح پایه و ناوگان‌های شهری به سمت سدیم ارزان‌تر و سریع‌تر شارژشونده حرکت خواهند کرد.[3]

این تغییر همچنین فشار بر بخش معدن جهانی را کاهش خواهد داد. با هدایت بخشی از تقاضای خودروهای برقی بازار انبوه به سمت سدیم، تولیدکنندگان می‌توانند زنجیره تأمین لیتیوم را تثبیت کنند و اطمینان حاصل کنند که این عنصر برای کاربردهایی که چگالی انرژی بالا در آن‌ها غیرقابل مذاکره است، مانند هوانوردی و کامیون‌های سنگین، در دسترس باقی بماند.[3]

با افزایش تولید انبوه تا سال ۲۰۲۶، آزمون واقعی برای فناوری سدیم-یون، طول عمر چرخه‌ای آن خواهد بود – اینکه چند هزار بار شارژ سریع را می‌تواند قبل از تخریب تحمل کند. اگر این فناوری با طول عمر اثبات‌شده سلول‌های لیتیوم آهن فسفات (LFP) مطابقت داشته باشد، شارژ ۱۱ دقیقه‌ای می‌تواند به زودی به معیار جدیدی برای حمل و نقل برقی مقرون‌به‌صرفه تبدیل شود.[3]