مقدمة
البطاريات القابلة لإعادة الشحن هي العمود الفقري للإلكترونيات الحديثة وأنظمة الطاقة المتجددة. وقد هيمنت بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) منذ أوائل التسعينيات بسبب كثافة طاقتها الفائقة (تصل إلى 300 واط/كجم) وعمر دورتها القوي (أكثر من 1000 إلى 3000 دورة). ولكن مع ارتفاع الطلب على السيارات الكهربائية والأجهزة المحمولة وتخزين الشبكات، أدى ارتفاع الطلب على السيارات الكهربائية والأجهزة المحمولة وتخزين الشبكة إلى تقلب الأسعار -بلغ ذروته فوق $20/كجم في أوائل عام 2023 قبل أن يستقر حول $6-8/كجم في أواخر عام 2024. سيتعمق هذا الدليل في الاختلافات بين بطارية أيونات الصوديوم وبطارية أيونات الليثيوم.
تحل تكنولوجيا أيونات الصوديوم (Na-ion) محل الصوديوم - وهو عنصر ذو إمدادات غير محدودة تقريباً - محل الليثيوم. وفي حين أن خلايا أيونات الصوديوم توفر حاليًا كثافة طاقة أقل (130-160 واط/كجم)، إلا أنها تستفيد من خطوط تصنيع الليثيوم أيون الحالية وتستخدم مواد خام أرخص وأكثر استدامة. تُظهر التجارب التجارية المبكرة عمر دورة واعد (أكثر من 2000-4500 دورة) وتخفيضات في التكلفة تتراوح بين 10-151 تيرابايت 3 تيرابايت على مستوى العبوة.
مقدمة في بطارية أيونات الصوديوم مقابل بطارية ليثيوم أيون
A. أساسيات الليثيوم أيون
تتكون خلايا الليثيوم أيون من:
-
الأنود: الجرافيت (حوالي 372 مللي أمبير/غرام)
-
القطب السالب: أكاسيد الليثيوم-المعدن الليثيوم ذات الطبقات - NMC (Ni-Mn-Co) أو NCA (Ni-Co-Al) أو LFP (LiFePO₄)
-
المنحل بالكهرباء: المذيبات العضوية مع أملاح الليثيوم (على سبيل المثال، LiPF₆)
أثناء التفريغ، تنتقل أيونات الليثيوم ⁺ من الأنود إلى الكاثود عبر الإلكتروليت؛ ويعكس الشحن هذا التدفق. الجهد الاسمي النموذجي للخلية هو 3.6-3.7 V. وتحقق الخلايا التجارية اليوم كثافة طاقة جاذبية تبلغ 200-300 واط/كغ 200-300 واط/كغ والكثافة الحجمية لـ 500-700 واط/لتر.
المزايا الرئيسية:
-
كثافة طاقة عالية: مثالية للمركبات الكهربائية طويلة المدى والإلكترونيات المدمجة
-
سلسلة التوريد الناضجة: عمليات التعدين والمعالجة وإعادة التدوير القائمة
B. أساسيات أيون الصوديوم
تعكس خلايا أيونات الصوديوم الصوديوم بنية أيونات الليثيوم ولكن باستخدام
-
الأنود: الكربون الصلب (حوالي 300 مللي أمبير/غم)
-
القطب السالب: أكاسيد أكاسيد الصوديوم المتداخلة الطبقات (NaـMOₓ₂، M = Fe، Mn، Ni) أو نظائرها من الصوديوم الأزرق البروسي
-
المنحل بالكهرباء: أملاح الصوديوم غير المائية أو المائية
نظرًا لأن أيونات الصوديوم⁺ أكبر (1.02 Å مقابل 0.76 Å لأيونات Li⁺)، فإن تركيبات الأقطاب الكهربائية تعدل حجم المسام والبلورات لاستيعاب الصوديوم. الجهد الاسمي أقل قليلاً-3.2-3.3 V. تقدم الخلايا النموذجية لأيون الصوديوم 130-160 واط/كغ 130-160 واط/كغ على مستوى الخلية، مع كثافة على مستوى الحزمة حول 120-140 واط/كغ 120-140 واط/كغ .
المزايا:
-
مواد وفيرة: وتبلغ تكلفة أملاح الصوديوم حوالي 1 تيرابايت 0.01 تيرابايت 0.01/كجم مقابل 1 تيرابايت 6-8 تيرابايت 6/كجم لليثيوم.
-
التآزر في التصنيع: تتكيف العديد من خطوط الليثيوم أيون مع أيونات الصوديوم بأقل قدر من إعادة التجهيز.
-
السلامة الناشئة: إلكتروليتات مائية غير قابلة للاشتعال قيد التطوير.
بطارية أيونات الصوديوم مقابل بطارية أيونات الليثيوم: ما هي الاختلافات
1. كثافة الطاقة والقدرة
-
ليثيوم أيون:
-
قياس الجاذبية: 200-300 واط/كجم (تجاري)؛ خلايا المختبر > 400 واط/كجم.
-
الحجمي: 500-700 واط/لتر.
-
-
أيون الصوديوم:
-
قياس الجاذبية: 130-160 واط/كجم (النماذج الأولية الحالية)؛ هدف البحث والتطوير > 200 واط/كجم.
-
الحجمي: 300-400 وات/لتر.
-
الوجبات الجاهزة: يتصدر الليثيوم أيون من حيث كثافة الطاقة، وهو أمر بالغ الأهمية للمركبات الكهربائية طويلة المدى والأجهزة المحمولة باليد. أما كثافة أيون الصوديوم المتواضعة فتكفي للتخزين الثابت والمركبات الكهربائية للمبتدئين.
2. دورة الحياة والمتانة
-
ليثيوم أيون: 1,000 إلى 3,000 دورة كاملة لسعة 80%؛ يمكن أن تتجاوز متغيرات LFP 5,000 دورة.
-
أيون الصوديوم: أكثر من 2,000-4,500 دورة عند عمق تفريغ 80% في التجارب التجارية الحديثة؛ وأفادت شركة ناترون إنرجي عن أكثر من 50,000 دورة مع كيميائيات أيونات الصوديوم المائية.
الوجبات الجاهزة: عمر الدورة قابل للمقارنة أو متفوق على أيونات الصوديوم في تركيبات معينة، مما يجعلها جذابة للاستخدامات الشاقة والشبكية.
3. معدلات الشحن/التفريغ والكفاءة
-
ليثيوم أيون: معدلات شحن سريعة تبلغ 1 C-5 C (شحن كامل في 12-60 دقيقة)؛ كفاءة الشحن السريع 85%-95%.
-
أيون الصوديوم: تم إثبات معدلات 1 C-2 C (30-60 دقيقة شحن كامل) بكفاءة 90% تقريبًا.
الوجبات الجاهزة: تدعم كلتا التقنيتين الكيميائيتين الشحن السريع، وتوفر تقنية الليثيوم أيون حالياً معدلات شحن أسرع، على الرغم من أن أداء تقنية Na-ion يتحسن بسرعة.
اعتبارات التكلفة والموارد
1. توافر المواد الخام والأسعار
-
الليثيوم: $6-8 دولار أمريكي/كيلوغرام (أواخر عام 2024)؛ تتركز في أستراليا وشيلي والصين.
-
الصوديوم: $0.01 دولار أمريكي/كجم؛ موجود في كل مكان في مياه البحر والرواسب الملحية.
2. التكلفة على مستوى العبوة
-
حزم الليثيوم أيون:
-
متوسط $ 115 دولارًا أمريكيًا/كيلووات ساعة في عام 2024 (20% انخفاضًا عن عام 2023) - وهو مستوى قياسي منخفض وفقًا لـ BloombergNEF.
-
-
عبوات أيونات الصوديوم:
-
تشير التقارير التجريبية المبكرة إلى أن $80-90 دولارًا أمريكيًا/كيلوواط ساعة، وعادةً ما تكون أرخص من 10-15% من الليثيوم أيون بمستويات أداء مكافئة.
-
تشير تكاليف المواد الخام المنخفضة والكاثودات الأبسط إلى أن أيونات الصوديوم يمكن أن تتفوق على أيونات الصوديوم الليثيوم خاصة بالنسبة للتخزين الثابت.
3. إعادة التدوير ونهاية العمر الافتراضي
-
ليثيوم أيون: إعادة التدوير الناضجة للكوبالت والنيكل والنحاس؛ العمليات معقدة بسبب تنوع الكيميائيات.
-
أيون الصوديوم: كيميائيات أبسط (الحديد والمنجنيز) تقلل من السمية وخطوات المعالجة؛ طرق إعادة التدوير التجارية حديثة العهد.
الوجبات الجاهزة: يعد المظهر الجانبي المبسط لمواد Na-ion بخفض تكاليف إعادة التدوير والتأثير البيئي على المدى الطويل.
السلامة والأثر البيئي
1. الاستقرار الحراري ومخاطر الحريق
-
ليثيوم أيون: يمكن أن تتعرض الإلكتروليتات العضوية القابلة للاشتعال إلى هروب حراري أعلى من 220 درجة مئوية تقريبًا، مما يؤدي إلى نشوب حرائق.
-
نا-أيون تستخدم العديد من النماذج الأولية شوارد مائية غير قابلة للاشتعال أو شوارد مثبطة للهب؛ وتتحمل الخلايا أكثر من 300 درجة مئوية قبل التحلل.
2. السمية والتخلص منها
-
ليثيوم أيون: يحتوي على معادن الكوبالت والنيكل الثقيل ذات المخاطر البيئية والصحية في حالة ترشّحها.
-
نا-أيون يستخدم الحديد والمنغنيز - منخفض السمية ومتوفر على نطاق واسع.
3. بصمة الاستدامة
-
تعدين الليثيوم أيون: ارتفاع استخدام المياه وتعطيل الموائل في المناطق الرئيسية.
-
مصادر أيونات الصوديوم استخراج الملح في الغالب مع الحد الأدنى من الاضطرابات البيئية.
الوجبات الجاهزة: توفر بطاريات أيونات الصوديوم هوامش أمان محسّنة ودورة حياة أكثر مراعاة للبيئة - وهو أمر حيوي لعمليات النشر على نطاق واسع.
دراسات حالة تطبيقية
1. التخزين على نطاق الشبكة: فاراديون وسنوي هايدرو
في أواخر عام 2022، دخلت شركة فاراديون في شراكة مع شركة Snowy Hydro الأسترالية لنشر 2 ميجاوات / 8 ميجاوات ساعة نظام بطاريات أيون الصوديوم في نيو ساوث ويلز. وعلى مدار السنة الأولى، قدم النظام أداءً مستقراً عبر التقلبات الموسمية في درجات الحرارة وقدم خدمات تنظيم التردد - بتكلفة رأسمالية أقل بمقدار 151 تيرابايت و3 تيرابايت مقارنةً بمنشآت أيونات الليثيوم المماثلة.
2. النماذج الأولية للمركبات الكهربائية: HiNa & Sehol E10X
زودت شركة HiNa Battery Technology الصينية سيارة JAC Sehol E10X المدينة بمحرك بطارية 23.2 كيلوواط/ساعة حزمة أيونات الصوديوم (145 واط/كغ)، تقدم 230 كم من المدى و0-80% في 30 دقيقة شحن. أظهرت التجارب في الأجواء المناخية المعتدلة ناتج طاقة ثابت وعدم تلاشي السعة على مدار أكثر من 1000 دورة.
وتسلط هذه التجارب الضوء على المكانة المميزة لأيون الصوديوم في الوقت الحالي: الطاقة الثابتة والمركبات الكهربائية ذات المدى الحضري، بينما يستمر أيون الليثيوم في الهيمنة على التطبيقات عالية الأداء والتطبيقات طويلة المدى.
التوقعات والابتكارات المستقبلية
-
الحالة الصلبة - أيون الصوديوم: تهدف الأبحاث في الشوارد الخزفية والبوليمرية إلى تعزيز السلامة وكثافة الطاقة.
-
كاثودات كاثودية متقدمة: تستهدف المواد متعددة الأيونات (على سبيل المثال، Na₃V₂(PO₄)₄(PO₄)₃) ₃) أكثر من 200 واط/كجم على مستوى الخلية.
-
توقعات السوق:
-
ليثيوم أيون ~ 8% cagr (2025-2035).
-
أيون الصوديوم: ~ 25% معدل نمو سنوي مركب مع زيادة الإنتاج وانخفاض التكاليف.
-
تخطط كبرى الشركات المصنعة مثل شركة CATL لإنتاج كميات كبيرة من أيونات الصوديوم بحلول عام 2025، ومن المحتمل أن يصل حجم الإنتاج إلى عدة جيجاوات ساعة سنوياً. ومع تطور كلتا التقنيتين، نتوقع أن تكون أيونات الصوديوم مكملة لتقنية الليثيوم أيون - خاصة عندما تكون التكلفة والسلامة واستدامة الموارد ذات أهمية قصوى.
الأسئلة الشائعة
-
-
كيف تختلف بطاريات أيون الصوديوم وبطاريات أيون الليثيوم في الأداء؟
وتوفر خلايا أيونات الصوديوم عادةً 130-160 واط/كجم، مقارنةً بـ 200-300 واط/كجم لليثيوم أيون. في حين أن الليثيوم-أيون يتصدر في كثافة الطاقة - وهو مثالي للمركبات الكهربائية طويلة المدى والإلكترونيات المدمجة - فإن أداء أيونات الصوديوم يكفي للتخزين الثابت والمركبات الكهربائية المبتدئة. -
هل خلايا أيونات الصوديوم أكثر أماناً من بطاريات أيونات الليثيوم؟
نعم. تستخدم العديد من كيميائيات أيونات الصوديوم شوارد مائية غير قابلة للاشتعال أو شوارد مثبطة للهب وتتحمل درجات حرارة أعلى (أكثر من 300 درجة مئوية)، مما يقلل بشكل كبير من مخاطر الهروب الحراري مقارنة بخلايا الليثيوم أيون التي يمكن أن تشتعل فوق 220 درجة مئوية تقريباً. -
ما هي التطبيقات التي تناسب تقنية أيونات الصوديوم بشكل أفضل اليوم؟
تتفوق بطاريات أيونات الصوديوم في تخزين الطاقة على نطاق الشبكة - حيث التكلفة المنخفضة وعمر الدورة أكثر أهمية من كثافة الطاقة القصوى - وفي السيارات الكهربائية الحضرية أو قصيرة المدى، والدراجات الإلكترونية، وأنظمة الطاقة الاحتياطية. -
ما نوع البطارية الأقل تكلفة لكل كيلوواط/ساعة؟
تكلف حزم أيونات الصوديوم حاليًا حوالي 10-15 تيرابايت 1-15 تيرابايت أقل من الليثيوم أيون على مستوى الحزمة (حوالي 1 تيرابايت 80-90/كيلوواط ساعة مقابل 1 تيرابايت 115/كيلوواط ساعة)، وذلك بفضل أملاح الصوديوم الوفيرة والمنخفضة التكلفة ومواد الكاثود الأبسط. -
كم تدوم بطاريات أيونات الصوديوم عادةً مقارنة ببطاريات أيونات الليثيوم؟
تحقق خلايا Na-ion التجارية أكثر من 2,000-4,500 دورة عند عمق تفريغ 80 %، على قدم المساواة مع العديد من كيميائيات الليثيوم أيون أو تتجاوزها (1,000-3,000 دورة). وتطالب بعض أنظمة أيونات الصوديوم المائية بأكثر من 50,000 دورة لاستخدام الشبكة. -
هل تقنية أيونات الصوديوم أكثر صداقة للبيئة؟
نعم. يعتمد أيون الصوديوم على الحديد والمنغنيز - وهما معدنان منخفضا السمية ومعدنان أرضيان - واستخراج الملح الشائع، مما يقلل من آثار التعدين ويحسن من إمكانية إعادة التدوير مقارنة بأنظمة الليثيوم أيون الغنية بالكوبالت والنيكل. -
متى يتوقع أن يصل أيون الصوديوم إلى الاستخدام التجاري السائد؟
تخطط كبرى الشركات المصنعة مثل CATL للإنتاج بكميات كبيرة بحلول عام 2025، مع نشر تجاري أوسع في قطاعات التخزين الثابتة والمركبات الكهربائية الصغيرة بحلول 2026-2027 مع تحسن الحجم والتكاليف
-
الخاتمة
لا يزال الليثيوم-أيون هو الخيار الأمثل لتلبية الاحتياجات عالية الطاقة والطاقة العالية (الهواتف الذكية، والمركبات الكهربائية طويلة المدى)، بينما تتألق تكنولوجيا أيونات الصوديوم في الأدوار الحساسة من حيث التكلفة والحساسة للسلامة (تخزين الشبكة، والمركبات الكهربائية الحضرية). ومع نضوج تكنولوجيا أيونات الصوديوم ستقف جنباً إلى جنب مع تكنولوجيا أيونات الصوديوم - مما يوسع خيارات المستهلكين ويعزز التحول إلى الطاقة النظيفة.
