بسیاری از تکنولوژی‌هایی که ما هر روز از آن‌ها استفاده می‌کنیم، با باتری لیتیوم یون (lithium-ion) کار می‌کنند؛ اما مشکلی که این باتری‌ها دارند آن است که هزینه تولید آن‌ها بسیار بالا بوده و استخراج مواد سازنده آن‌ها بسیار دشوار است.
با این‌حال، یک جایگرین مناسب برای باتری‌های لیتیوم یون وجود دارد: باتری‌های سدیم یون (sodium-ion) که تولید آن‌ها احتمالا ارزان‌تر و راحت‌تر خواهد بود، اما به شرط اینکه بتوانند مثل تکنولوژی لیتیوم یون به‌خوبی کار کنند. دانشمندان اخیرا قدم بزرگی برای نزدیک‌تر شدن به این هدف برداشته‌اند.
محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، به‌تازگی یکی از بهترین نمونه‌های باتری سدیم یون را تولید کرده‌اند که به‌اندازه نوع لیتیوم یون انرژی بیشتری نگه می‌دارد و عملکرد خوبی از خود نشان داده است. این تیم تحقیق گفته‌اند که مطالعه آن‌ها توسعه بزرگی در زمینه باتری‌های سدیم یون محسوب می‌شود.
یکی از بخش‌هایی که باتری‌های سدیم یون می‌توانند در آن مفید باشند، ذخیره انرژی در مقیاس‌های بزرگ است. با گسترش روزافزون انرژی‌های تجدیدپذیر، ذخیره‌سازی آن‌ها اهمیت بسیار زیادی پیدا کرده است و بنابراین ما به نوعی تکنولوژی باتری نیاز داریم که هزینه تولید ارزان‌تر و راحت‌تری داشته باشد.
ژان‌هوا سانگ (Junhua Song)، مهندس مواد از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی می‌گوید: چالش اساسی برای باتری‌های سدیم یون این است که هم دانسیته انرژی بالایی داشته باشند و هم از چرخه عمر قابل قبولی برخوردار باشند.
در حال حاضر، باتری‌های لیتیوم یون نسبت به نوع سدیم یون مزیت‌های زیادی دارند: آن‌ها نه‌تنها بیشتر دوام می‌آورند، بلکه انرژی بیشتری نیز در خود نگه می‌دارند. یکی از ضعف‌های باتری‌های سدیم یون آن است مواد استفاده‌شده در کاتد آن‌ها (بخشی از باتری که الکترون‌ها را دریافت می‌کند) باعث آسیب رسیدن به کریستال‌های سدیم غیرفعال می‌شوند که درنهایت انتقال انرژی را مختل می‌سازند.
محققان آزمایشگاه ملی لارنس برای فایق آمدن بر این مشکل یک کاتد اکسید فلز لایه‌دار ساختند و در کنار آن یک الکترولیت مایع که یون‌های سدیم بیشتری را نگه می‌دارد توسعه دادند. این کار منجر به ترکیب خاصی از مواد در داخل باتری شد که اندرکنش بهتری با کاتد داشت و هیچ آسیبی به کریستال‌های سدیم نمی‌رساند.
باتری سدیم یون جدید توانست بعد از از ۱۰۰۰ چرخه، همچنان بیش از ۸۰ درصد شارژ خودش را نگه دارد. این عملکرد هرچند برای استفاده این نوع باتری در داخل اسمارت‌فون‌ها کافی نیست، اما گام بزرگی در تکنولوژی باتری‌های جایگزین محسوب می‌شود و نویدبخش پیشرفت‌های بیشتری در آینده است.
یوهه لین (Yuehe Lin) استاد مهندسی مواد از دانشگاه ایالتی واشنگتن می‌گوید: تحقیق ما رابطه مهمی را بین نوع ساختار کاتد و اندرکنش آن با الکترولیت نشان می‌دهد. نتایج ما بهترین نتایجی است که تابه‌حال برای یک باتری سدیم یون با کاتد لایه‌ای گزارش شده است که این موضوع نشان‌دهنده آن است که تکنولوژی جدید قابل‌مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون است.
البته کار محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی هنوز تمام نشده است. آن‌ها می‌خواهند که اندرکنش‌های بین الکترولیت و کاتد را بیشتر بررسی کنند تا راندمان آن را تا جای ممکن بهبود ببخشند. آن‌ها همچنین قصد دارند که استفاده از کبالت را در باتری‌ها حذف کنند. این ماده با اینکه بسیار نادر است و استخراج آن بسیار دشوار است، اما به‌تناوب در باتری‌های لیتیوم یون تجاری و باتری‌های آزمایشگاهی سدیم یون استفاده می‌شود.
باتری‌های لیتیوم یون علی‌رغم هزینه بالای تولیدشان و ضعف‌هایی که دارند، همچنان در داخل گوشی‌ها، لپ‌تاپ‌ها و خودروهای برقی استفاده می‌شود. بنابراین اگر ما به تعداد بیشتری از این باتری‌ها نیاز داشته باشیم، منطقی است که جایگزین مناسبی برای آن‌ها پیدا کنیم.
البته این به معنای آن نیست که هیچ نوآوری جدیدی در باتری‌های لیتیوم یون قابل انجام نیست: در حال حاضر، دانشمندان به فکر آن هستند که عمر این باتری‌ها را افزایش و سرعت شارژ آن‌ها را سریع‌تر کنند. به‌هرحال، هرچه گزینه‌های بیشتری روی میز باشد، بهتر است. این گزینه می‌تواند از نوع لیتیوم یون باشد یا سدیم یون یا هر تکنولوژی دیگری.
سانگ می‌گوید: تحقیق ما، راه را برای استفاده عملی از باتری‌های سدیم یون هموارتر می‌کند و اطلاعات خوبی را درباره اندرکنش بین کاتد و الکترویت و نحوه توسعه باتری‌های عاری از کبالت را در اختیار ما قرار می‌دهد. اگر ما بتوانیم جایگزین‌های مناسبی برای هر دو ماده لیتیوم و کبالت پیدا کنیم، باتری‌های سدیم یون می‌توانند تبدیل به رقیب جدی برای باتری‌های لیتیوم یون شوند.
نتایج مطالعه حاضر در مجله ACS Energy Letters چاپ شده است.
