المبادئ الأساسية وتكوين بطاريات أيون الصوديوم

المبادئ الأساسية وتكوين بطاريات أيون الصوديوم

1. نظرة عامة على بطاريات أيون الصوديوم

في أنظمة تخزين الطاقة المختلفة، تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع نظرًا لمزاياها مثل الطاقة العالية وكثافة الطاقة والعمر الطويل والصداقة البيئية وقلة تأثير الذاكرة. منذ النجاح التجاري لبطاريات الليثيوم أيون في عام 1991، لعبت دورًا رائدًا مهمًا لا يمكن الاستغناء عنه في العديد من المجالات المهمة، مثل صناعة الإلكترونيات الاستهلاكية، ومركبات الطاقة الجديدة، وتخزين الطاقة على نطاق واسع، وما إلى ذلك. وفي الوقت الحاضر، على الرغم من الأهمية ذات الصلة لقد نضجت تقنيات وعمليات بطاريات الليثيوم أيون، وتتمتع بطاريات الليثيوم أيون بمزايا فريدة في مختلف المجالات، ولا يمكن تجاهل السلامة المنخفضة ودورة الحياة المنخفضة ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة والتكلفة العالية لبطاريات الليثيوم أيون. ولذلك، فمن الملح تطوير بطاريات منخفضة التكلفة ذات أمان عالي وموثوقية عالية ومقاومة للبرودة والحرارة كبدائل لبطاريات الليثيوم أيون. في المقابل، تعد موارد الصوديوم سادس أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية (حوالي 150 مليون طن، وهو ما يمثل 2.74% من إجمالي العناصر في القشرة الأرضية)، كما أن الصوديوم، باعتباره المكون الرئيسي لملح البحر، يتوزع على نطاق واسع في المحيط، مع مزايا التوزيع الواسع والموحد وسهولة الحصول عليه وتنقيته. وبالإضافة إلى ذلك فإن الصوديوم هو أحد عناصر المجموعة الرئيسية الأولى مثل الليثيوم، كما أن خواصه الفيزيائية والكيميائية مثل نصف القطر الأيوني والكتلة الذرية تشبه خواص الليثيوم (جدول 1-1). يتمتع الصوديوم المعدني بقدرة نوعية نظرية عالية نسبيًا (1166 مللي أمبير/لتر) وإمكانات كهروكيميائية تبلغ -2.71 فولت (بالنسبة إلى قطب الهيدروجين القياسي). باختصار، من المتوقع أن تصبح بطاريات أيون الصوديوم بديلاً لبطاريات الليثيوم أيون الحالية، كما أن تطوير وأبحاث بطاريات أيون الصوديوم الفعالة لها أهمية استراتيجية مهمة وقيمة تطبيقية تجارية.

2. المبادئ الأساسية وتكوين بطاريات أيون الصوديوم

1) وضع العمل
عندما يتم شحن البطارية، يتم إطلاق أيونات الصوديوم من مادة القطب الموجب إلى المنحل بالكهرباء، ويتم دمج أيونات الصوديوم الحرة في المنحل بالكهرباء في مادة القطب السالب؛ في الدائرة الخارجية، تهاجر الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب. عندما يتم تفريغ البطارية، يتم إطلاق أيونات الصوديوم من القطب السالب وإعادة دمجها في مادة القطب الموجب؛ تتدفق إلكترونات الدائرة الخارجية من القطب السالب إلى القطب الموجب تحت المجال المحتمل.

2) التكوين
القطب الموجب
باعتبارها عنصرًا مهمًا في بطاريات أيونات الصوديوم، توفر مادة القطب الموجب أيونات الصوديوم خلال الدورة الأولى من الشحن والتفريغ. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط الاستقرار الهيكلي لمادة القطب الموجب إلى حد كبير باستقرار دورة بطارية أيون الصوديوم. في مادة القطب الموجب المثالية، يمكن أن يؤدي انكماش الحجم والتوسع الناتج عن استخلاص وإدخال أيونات الصوديوم إلى تشويه وتلف بسيط للبنية البلورية، ويمكن أن يحسن الأداء الكهروكيميائي بشكل فعال. بشكل عام، يمكن لمواد البوليمر العضوية ذات الهياكل المثمنة السطوح ومواد الأكسيد ذات الطبقات ذات الهياكل ثنائية الأبعاد أن تربط بشكل فعال أيونات الصوديوم في المجسمات الثماني وتعتبر مواد إلكترودات موجبة مثالية لتخزين أيونات الصوديوم.
تختلف طاقة الربط بين الليثيوم والصوديوم. في نفس الهيكل، يكون جهد التضمين لأيونات الصوديوم أقل بكثير من جهد أيونات الليثيوم (0.18-0.57 فولت). بالمقارنة مع أيونات الليثيوم، تتمتع أيونات الصوديوم بكتلة وحجم أكبر، مما يشير إلى أن معدل انتشارها أقل أيضًا بشكل ملحوظ. من أجل زيادة معدل انتشار أيونات الصوديوم في مواد الإلكترود، يعد تغيير حجم مادة الإلكترود بطريقة نانوية طريقة فعالة.

القطب السلبي
في البطارية الممتلئة، تعتبر مادة القطب السالب ذات أهمية متساوية بالنسبة لسعة البطارية ومعدلها واستقرار الدورة وأداءها الآخر. إن السعة النظرية المحددة لكاثود معدن الصوديوم (1166 مللي أمبير/ساعة) أقل من قدرة كاثود معدن الليثيوم، ولها إمكانية تخفيض أعلى. من المرجح أن يتفاعل الصوديوم المعدني ويتحلل في الشوارد العضوية، مما يؤدي إلى تكوين تشعبات الصوديوم. ليس هذا فحسب، فنظرًا لانخفاض نقطة انصهار معدن الصوديوم (98 درجة مئوية)، يكون معدن الصوديوم أسهل في الذوبان والانتشار أثناء عملية الشحن والتفريغ، مما يعرض صحة البطارية للخطر. ولذلك، فإن آفاق تطبيق بطاريات معدن الصوديوم ضئيلة. ومع ذلك، باستخدام أيونات الصوديوم كمصدر أيوني للتضمين وإزالة التضمين، يمكن دمج مواد القطب الموجب والسالب وتفكيكها بطريقة "الكرسي الهزاز" لتحقيق شحن وتفريغ البطارية، وإعادة التدوير. يمكن تحقيق أيونات الصوديوم. مثل هذا التصميم يتجنب المخاطر المرتبطة بانخفاض نشاط أيون الصوديوم. ولسوء الحظ، من الصعب دمجها بسلاسة مع المكونات الأخرى لمادة البطارية لتكوين بطارية كاملة. لذلك، قامت معظم الدراسات فقط بدراسة الخواص الكهروكيميائية لمواد الأقطاب الكهربائية الجديدة وأنصاف خلايا الصوديوم المعدنية.