غالبًا ما يتم ذكر بطارية أيون الصوديوم كبديل لبطارية أيون الليثيوم. في الأشهر الستة الماضية, قد يؤدي الارتفاع الكبير في أسعار المواد الخام لبطاريات الليثيوم أيون إلى زيادة أسعار بطاريات الليثيوم أيون. في أثناء, تنتقل بطارية أيون الصوديوم تدريجيًا من مرحلة المختبر إلى المراحل الأولى من التسويق. أدت هذه العوامل مجتمعة إلى جلب بطارية أيون الصوديوم إلى أعين الجمهور بشكل متزايد. التالي, وسوف نلقي نظرة تفصيلية على هذين النوعين من البطاريات من خلال مقارنة متعددة الأوجه لأيون الصوديوم و بطارية ليثيوم أيون.
المبادئ الأساسية والهيكل
المبدأ الأساسي
تعتمد كل من بطاريات أيونات الصوديوم وبطاريات أيونات الليثيوم على أ “كرسي هزاز” آلية تفريغ الشحنة. (للحصول على فهم تفصيلي لمبدأ عمل بطاريات أيون الصوديوم, من فضلك اضغط: كيف تعمل بطارية أيون الصوديوم?) أثناء الشحن, أيونات المعادن القلوية (Li⁺ أو Na⁺) يتم استخلاصها من القطب الموجب ودمجها في القطب السالب من خلال المنحل بالكهرباء; عملية التفريغ هي العكس. لكن, الاختلافات في الخواص الفيزيائية والكيميائية للأيونات نفسها (مثل نصف القطر الأيوني, إمكانات القطب القياسية, والكتلة) هي السبب الجذري لخلافاتهم.
نصف القطر الأيوني لـ Na⁺ (أيون الصوديوم) يكون 1.02 أوه, ونصف القطر الأيوني Li⁺ (أيون الليثيوم) يكون 0.76 أوه. Na⁺ أكبر من Li⁺, لذلك يكون من الصعب دمجها/استخراجها في البنية البلورية, مما يؤدي بسهولة إلى تغييرات أكبر في الحجم الهيكلي.
إمكانات القطب القياسية لـ Na⁺ (أيون الصوديوم) يكون -2.71 الخامس (مقابل. هي), وإمكانات القطب القياسية لـ Li⁺ (أيون الليثيوم) يكون -3.04 الخامس (مقابل. هي). إمكانات Na⁺ أعلى, مما يؤدي إلى أن جهد التشغيل وكثافة الطاقة لبطاريات أيون الصوديوم عادة ما تكون أقل من بطاريات الليثيوم أيون.
الوزن الذري Na⁺ (أيون الصوديوم) يكون 22.99 جم / مول, والوزن الذري Li⁺ (أيون الليثيوم) يكون 6.94 جم / مول. Na⁺ أثقل, وهو أيضًا أحد الأسباب التي تجعل كثافة الطاقة الجماعية لبطاريات أيون الصوديوم أقل من كثافة بطاريات الليثيوم أيون.
مادة
تحتوي كل من بطاريات أيون الصوديوم وبطاريات أيون الليثيوم على عدة أنواع من المواد الكاثودية بسبب الاختلافات في تركيبها الكيميائي والمسارات التكنولوجية. لكن, بشكل عام, تعتبر مواد الكاثود المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون أكثر تكلفة, ومواردها محدودة ويمكن تقييدها بسهولة. مواد كاثود بطارية أيون الصوديوم, على الجانب الآخر, وفيرة, موزعة بالتساوي, ومنخفضة التكلفة.
فيما يتعلق بمواد الأنود, تستخدم بطاريات الليثيوم أيون الجرافيت بشكل أساسي; بينما بطاريات أيون الصوديوم, بسبب عدم توافق الجرافيت مع إقحام أيونات الصوديوم, حاليا تستخدم بشكل رئيسي الكربون الصلب. في هذا الجانب, بطاريات أيون الصوديوم لها تكاليف أعلى, والتي تعد واحدة من الاختناقات الرئيسية في نضجها التكنولوجي والتحكم في التكاليف.
يشبه المنحل بالكهرباء الموجود في بطاريات أيونات الصوديوم إلى حد كبير تلك الموجودة في بطاريات الليثيوم أيون, ولكنه يستخدم أملاح الصوديوم بدلاً من أملاح الليثيوم, مما يؤدي إلى انخفاض التكاليف.
لأن الألومنيوم يشكل سبائك مع الليثيوم بإمكانات منخفضة, تستخدم جامعات تيار بطارية الليثيوم أيون عمومًا رقائق النحاس. أيونات الصوديوم ليس لها هذا التأثير, لذلك عادة ما يستخدم جامعو تيار بطاريات أيون الصوديوم رقائق الألومنيوم الرخيصة, مما يقلل بشكل مباشر من تكاليف المواد ووزن البطارية.
كثافة الطاقة
سواء LFP أو NCM, تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بكثافة طاقة أعلى من بطاريات أيونات الصوديوم. تبلغ كثافة الطاقة الوزنية لبطاريات أيون الصوديوم تقريبًا 20-40% أقل من بطاريات الليثيوم أيون, والفرق في كثافة الطاقة الحجمية أكبر.
في حين أن كثافة الطاقة لبطاريات أيون الصوديوم تتحسن تدريجياً مع التقدم التكنولوجي, فهو يواجه حدًا نظريًا بسبب الخصائص الكامنة للصوديوم, وهو أحد عيوب بطاريات أيونات الصوديوم.
دورة الحياة
تتأثر دورة حياة البطاريات بعوامل مختلفة, بما في ذلك التركيب الكيميائي, تكنولوجيا التصنيع, وبيئة التشغيل.
يتراوح عمر دورة بطاريات الليثيوم أيون عادةً من 3,000 ل 10,000 دورات, مع فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) تتميز بطاريات الليثيوم أيون بدورة حياة متميزة بشكل خاص. عادةً ما تتمتع بطاريات أيونات الصوديوم بدورة حياة تبلغ 2,000 ل 6,000 دورات. يدعي بعض مصنعي بطاريات أيون الصوديوم أن بطارياتهم يمكن أن تحقق دورة حياة تصل إلى 10,000 دورات.
حالياً, عمر دورة بطاريات الليثيوم أيون أفضل بشكل عام قليلاً من عمر بطاريات أيون الصوديوم.
درجة حرارة
يؤثر نطاق درجة حرارة التشغيل للبطارية بشكل كبير على سيناريوهات التطبيق الخاصة بها.
تتمتع بطاريات أيون الصوديوم بنطاق درجة حرارة تشغيل أوسع مقارنة ببطاريات أيون الليثيوم, تظهر بشكل خاص ميزة واضحة في درجات الحرارة المنخفضة. يتمتع الإلكتروليت الموجود في بطاريات أيونات الصوديوم بموصلية أفضل عند درجات الحرارة المنخفضة, الحفاظ على ما يقرب من 90% قدرتها عند -40 درجة مئوية. بين بطاريات الليثيوم أيون, تعمل بطاريات NMC بشكل جيد إلى حد معقول في درجات الحرارة المنخفضة ولكنها تتمتع بثبات حراري ضعيف; تتمتع بطاريات LFP بثبات حراري أفضل نسبيًا, لكن أدائها أقل مثالية في درجات الحرارة المنخفضة, مما يؤثر على أدائهم العام.
على العموم, تعمل بطاريات أيون الصوديوم بشكل أفضل من بطاريات أيون الليثيوم في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة. لكن, تكنولوجيا بطاريات الليثيوم أيون تتحسن باستمرار, ومع منتجات داعمة متطورة, لا يزال من الممكن استخدامها في بعض البيئات القاسية مع إدارة درجة الحرارة بشكل فعال.
الشحن والتفريغ
نظريا, تتمتع أيونات Na⁺ بنصف قطر ستوكس أصغر ومقاومة بينية أقل, مما يؤدي إلى زيادة حركة الأيونات في بعض الشوارد. لذلك, تتمتع بطاريات أيونات الصوديوم بسرعات شحن أسرع, كما أن قدرتها على الشحن السريع تتفوق على بطاريات الليثيوم أيون.
تتمتع بطاريات أيونات الصوديوم بقدرة أفضل نسبيًا على الشحن الزائد والتفريغ الزائد, ويمكن لبعض الأنظمة تحمل نطاق جهد أوسع. لكن, سيظل الشحن والتفريغ الزائد يؤثر على الأداء والعمر الافتراضي, وقد يؤدي حتى إلى مواقف خطيرة. تعتبر بطاريات الليثيوم أيون أكثر حساسية للشحن الزائد والتفريغ الزائد; الشحن الزائد يمكن أن يسبب التورم, والإفراط في التفريغ يمكن أن يؤدي إلى فقدان القدرة لا رجعة فيه. لذلك, يعد التصميم المناسب لنظام البطارية وإدارته أمرًا بالغ الأهمية لبطاريات الليثيوم أيون.
يكلف
كما قمنا بتحليلها سابقًا في هذه المقالة, تتمتع بطاريات أيونات الصوديوم نظريًا بميزة التكلفة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون. لكن, في السوق الفعلي, ستجد أن فرق السعر بين الاثنين ليس كبيرًا. لماذا هذا؟?
أولاً, حجم إنتاج بطاريات أيون الصوديوم أصغر بكثير من بطاريات الليثيوم أيون, مما يجعل من المستحيل نشر المعدات, ر&د, وتكاليف التصنيع. المواد الرئيسية الخاصة ببطاريات أيون الصوديوم (مثل أنودات الكربون الصلب وكاثودات محددة) لم تشكل بعد كفاءة, منخفضة التكلفة, وسلسلة توريد مستقرة تتمتع بها بطاريات الليثيوم أيون. وهذا يؤدي مباشرة إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج. حالياً, لا تزال بطاريات أيونات الصوديوم في المراحل الأولى من التصنيع, ويتم تعويض ميزة التكلفة النظرية الخاصة بها من خلال واقع حجم الإنتاج الصغير وسلسلة التوريد غير الناضجة.
ثانيًا, بعد 2023, انخفض سعر كربونات الليثيوم بشكل حاد من ذروته. على الرغم من أن السعر قد انتعش إلى حد ما, ولم يعد إلى أعلى مستوياته السابقة. وقد أدى هذا إلى استعادة ميزة التكلفة لبطاريات الليثيوم أيون, الضغط المباشر على مساحة بطاريات أيونات الصوديوم لإثبات ميزة التكلفة.
إن سعر بطاريات أيون الصوديوم هو نتيجة للتأثيرات المجمعة لتغيرات السوق الخارجية ومراحل التطوير الداخلي.
طلب
تستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في العديد من التطبيقات, بما في ذلك الالكترونيات الاستهلاكية, المركبات الكهربائية, وتخزين الطاقة, وتبقى هي السائدة المطلقة في السوق. بسبب كثافة الطاقة العالية, تعد بطاريات الليثيوم أيون الخيار المفضل للتطبيقات ذات المتطلبات الصارمة للمساحة, عمر بطارية طويل, وقابلية النقل.
توجد بطاريات أيونات الصوديوم حاليًا بشكل أكثر شيوعًا في سيناريوهات تطبيقات محددة, مثل تخزين الطاقة أو المعدات المتخصصة في المناطق الباردة التي تتطلب أداءً عاليًا في درجات الحرارة المنخفضة, أو في السيارات الكهربائية منخفضة السرعة حيث لا تشكل المساحة عائقًا. إذا أصبحت ميزة التكلفة لبطاريات أيون الصوديوم واضحة في المستقبل, تطبيقات تخزين الطاقة واسعة النطاق مع متطلبات عالية من حيث التكلفة, عمر, والسلامة, ولكن متطلبات كثافة الطاقة منخفضة, سيكون المثالي “ساحة المعركة الرئيسية” لبطاريات أيون الصوديوم.
اعتبارات الشراء
عند شراء بطاريات أيون الصوديوم, ستتخذ قرارًا في سوق سريع التطور ولكنه لم ينضج تمامًا بعد. النقاط التالية يجب أن تساعدك في عملية اتخاذ القرار الخاص بك.
جودة المنتج
حالياً, هناك العديد من الشركات المصنعة التي تنتج بطاريات أيون الصوديوم. هل تستطيع هذه الشركات توسيع نطاق تكنولوجيا المختبرات الخاصة بها بشكل موثوق إلى الإنتاج الضخم؟? ما هي الجودة الفعلية لبطاريات أيون الصوديوم الخاصة بهم? هل يستوفون مواصفات الأداء التي يدعونها? هذه كلها اعتبارات حاسمة قبل الشراء.
لمصنعي خلايا بطارية أيون الصوديوم, إن اختيار الشركات ذات خطوط الإنتاج المخصصة والخبرة الواسعة في مراقبة تناسق المواد وتحسين العمليات هو الضمان الأول لجودة المنتج. بعد هذا, يعد اختبار عينات البطارية وتجربتها لمعرفة ما إذا كانت تلبي المواصفات أمرًا مهمًا بنفس القدر.
المنتجات ذات الصلة
حالياً, النظام البيئي بأكمله لبطاريات أيونات الصوديوم لم ينضج بعد, ولا تزال البنية التحتية الداعمة غير مكتملة. بطاريات ليثيوم أيون, على الجانب الآخر, لدينا مجموعة كاملة من المنتجات الداعمة, مثل أجهزة الشحن, أنظمة إدارة البطارية, أنظمة الإدارة الحرارية, العاكسون, المحولات, ووحدات الاتصال. اعتمدت بطاريات أيونات الصوديوم في البداية نفس المنتجات الداعمة, معايير المنتج, طرق النقل, وعمليات إصدار الشهادات مثل بطاريات الليثيوم أيون. على الرغم من أن المنتجات الداعمة ذات الصلة أصبحت متاحة الآن تدريجيًا, والوضع أفضل بكثير من ذي قبل, لا يزال يوصى بتأكيد التوفر, الاستدامة, وتسعير المنتجات الداعمة قبل شراء خلايا أيون الصوديوم لحزم البطاريات أو الأنظمة, لتجنب المشاكل المحتملة في وقت لاحق.
متطلبات
قبل اختيار بطارية أيون الصوديوم, من المفيد توضيح احتياجاتك المحددة للبطارية.
للمشاريع المطورة حديثا, بالإضافة إلى النقاط المذكورة أعلاه, يوصى بالنظر فيما إذا كان أداء ومواصفات بطارية أيون الصوديوم مناسبة أم لا, وما إذا كان الإنتاج المستمر ممكنا. إن بطارية أيون الصوديوم التي تم إنتاجها بالفعل بكميات كبيرة وحظيت بردود فعل إيجابية من السوق ستكون أفضل.
إذا كنت تقوم باستبدال منتج بطارية سابق, يرجى النظر فيما إذا كان متوافقًا مع أجهزتك الحالية. وهذا يشمل التحقق من الأبعاد المادية, الجهد االكهربى, سعة, وتوافق الشاحن. قد يؤدي استبدال البطارية بشكل أعمى إلى عواقب سلبية. على سبيل المثال, قد يؤدي الجهد غير المتوافق إلى منع الجهاز من بدء التشغيل أو إتلاف وحدة التحكم.
ملخص
ما ورد أعلاه عبارة عن مقارنة بين بطاريات أيون الصوديوم وبطاريات أيون الليثيوم. حالياً, كلاهما لهما مزاياهما الخاصة. تتميز بطاريات الليثيوم أيون بكثافة طاقة عالية, سلسلة صناعية ناضجة, ونظام بيئي راسخ. توفر بطاريات أيونات الصوديوم مزايا في الأداء في درجات الحرارة المنخفضة والإمكانات المادية. بطاريات أيون الصوديوم ليست بديلاً كاملاً لبطاريات الليثيوم أيون, بل هو مكمل وامتداد مهم. في المستقبل, هل ستنضج السلسلة الصناعية لبطاريات أيون الصوديوم تدريجيًا وستصبح مزاياها من حيث التكلفة واضحة? أم أن بطاريات الليثيوم أيون ستحقق اختراقات تكنولوجية جديدة? دعونا ننتظر ونرى!
