باتری سدیم-یون چگونه کار می‌کند

چطور؟ آیا یک سلول یون سدیم است باتری عمل می‌کند؟

سلول یون سدیم انرژی را ذخیره و آزاد می‌کند با حرکت کنترل‌شدهٔ یون‌های سدیم بین دو الکترود. این مکانیزم در تخته سفید شبیه سلول لیتیوم-یون به نظر می‌رسد، اما مواد تشکیل‌دهنده، اندازهٔ یون و چند پیامد عملی متفاوت هستند. برای هرکسی که باتری‌های یون سدیم را برای کاربردهای راه‌اندازی-توقف خودرو ارزیابی می‌کند، درک نحوهٔ عملکرد واقعی سلول درون باتری نقطهٔ شروع هر مشخصه‌گذاری، مقایسه و تصمیم خریدی است که پس از آن اتخاذ می‌شود.

_______________________________________________________________________

ساختار اصلی درون یک سلول یون سدیم

سلول یون سدیم از همان اجزای اساسی تشکیل شده است که در بیشتر سایر شیمی‌های قابل شارژ وجود دارد: یک الکترود مثبت (کاتد)، یک الکترود منفی (آنُد)، یک جداکننده که آن‌ها را از نظر فیزیکی از هم جدا می‌کند، یک الکترولیت که یون‌ها را بین دو الکترود حمل می‌کند و جمع‌کننده‌های جریان که هر الکترود را به ترمینال‌های خارجی متصل می‌کنند.

موادی که در این اجزا استفاده می‌شوند، تفاوت بین سلول‌های سدیم-یون و سلول‌های لیتیوم-یون را مشخص می‌کنند. سلول‌های سدیم-یون معمولاً از موارد زیر استفاده می‌کنند:

• کاتد حاوی سدیم ، مانند اکسیدهای لایه‌ای فلزات واسطه (برای مثال، NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2 و ترکیبات مشابه)، آنالوگ‌های آبی پروسی، یا ترکیبات نوع پلی‌آنیون. شیمی دقیق بسته به سازنده و کاربرد مورد نظر متفاوت است.

• آنود کربن سخت که رایج‌ترین ماده‌ی آنود برای شیمی سدیم-یون است. یون‌های سدیم در حین شارژ در ساختار نامنظم کربن جذب می‌شوند.

• الکترولیت مایع حاوی نمک سدیم — معمولاً NaPF6 یا NaClO4 —حل‌شده در حلال‌های مبتنی بر کربنات. برخی طراحی‌ها از الکترولیت‌های ژلی یا حالت جامد استفاده می‌کنند، اما این روش‌ها امروزه در باتری‌های خودرویی تجاری کمتر رایج هستند.

• جمع‌کننده‌های جریان آلومینیومی در هر دو طرف. این تفاوتی معنادار با سلول‌های لیتیوم-یون است، جایی که برای سمت آند باید از مس استفاده شود، زیرا آلومینیوم در ولتاژهای پایین با لیتیوم واکنش می‌دهد. سدیم در پتانسیل‌های معمول سلول با آلومینیوم آلیاژ نمی‌شود، بنابراین می‌توان از فویل آلومینیوم در هر دو سمت استفاده کرد؛ این امر تولید سلول را ساده‌تر می‌کند و هزینهٔ مواد را کاهش می‌دهد.

یک جداکنندهٔ متخلخل — معمولاً یک غشای پلیمری — کاتد و آند را از نظر فیزیکی از هم جدا می‌کند، در عین حال اجازهٔ عبور یون‌های سدیم را می‌دهد. این جداکننده در الکترولیت خیسانده می‌شود و به‌عنوان پلی بین دو الکترود عمل می‌کند. سپس سلول درون یک پوشش سفت (با فرم استوانه‌ای، منشوری یا کیسه‌ای) دربسته می‌شود و ترمینال‌هایی دارد که به بیرون از بستهٔ باتری متصل می‌شوند.

در حین تخلیه چه اتفاقی می‌افتد

وقتی باتری توان تأمین می‌کند — برای مثال، وقتی موتور استارت موتوری را می‌چرخاند —یون‌های سدیم از آند به کاتد از طریق الکترولیت جابه‌جا می‌شوند. در همین حال، الکترون‌ها در آند آزاد می‌شوند، از مدار خارجی عبور می‌کنند و دوباره در کاتد وارد می‌شوند.

جابه‌جایی یون‌های سدیم و جریان الکترون‌ها

در سمت آند، سدیم از ساختار کربن سخت خارج شده و به‌صورت یون‌های Na وارد الکترولیت می‌شود.

در سمت کاتد، آن یون‌های Na در ماده کاتد جایگزین می‌شوند، درحالی‌که الکترون‌های ورودی از طریق مدار خارجی، میزبان کاتد را کاهش می‌دهند. این دو جریان —یون‌ها از طریق الکترولیت و الکترون‌ها از طریق سیم —باید از نظر نرخ با یکدیگر هماهنگ باشند؛ به همین دلیل، جریان خارجی قابل تأمین توسط باتری اساساً توسط سرعت جابه‌جایی یون‌ها درون سلول محدود می‌شود.

در باتری خودرو، این جریان الکترون‌ها موتور استارت، سیستم اشتعال، چراغ‌ها، سیستم سرگرمی و تمامی الکترونیک‌های داخلی خودرو را تغذیه می‌کند. در خودروهای استارت-استاپ، این فرآیند تخلیه در هر سفر چندین بار تکرار می‌شود: هر بار که موتور در چراغ قرمز متوقف می‌شود، باتری همچنان سیستم‌های الکتریکی را تأمین می‌کند و هر بار که موتور دوباره روشن می‌شود، باتری یک پالس جریان قوی برای استارت ارسال می‌کند. سلول باید این الگوی چرخه‌گردانی مکرر با نرخ بالا را تحمل کند، نه فقط یک تخلیه عمیق تکی.

_______________________________________________________________________

در حین شارژ چه اتفاقی می‌افتد

شارژ واکنش تخلیه را معکوس می‌کند. پس از اعمال یک ولتاژ خارجی به دو سر سلول —توسط آلترناتور در یک خودروی در حال حرکت یا توسط یک شارژر خارجی در کارگاه — یون‌های سدیم از کاتد خارج می‌شوند، از طریق الکترولیت بازمی‌گردند و دوباره در آند کربن سخت جای می‌گیرند. همزمان، الکترون‌ها از کاتد خارج می‌شوند، از مدار خارجی عبور می‌کنند و دوباره به سلول از طریق آند وارد می‌شوند. انرژی به‌صورت یون‌های سدیمی که دوباره در ساختار آند فشرده می‌شوند ذخیره می‌شود و آمادهٔ آزاد شدن مجدد در تخلیهٔ بعدی هستند.

در خودروهای استارت-استاپ، آلترناتور بیشترین بار را هر زمان که موتور در حال کار است، شارژ می‌کند. باتری در این نوع کاربرد به ندرت به ظرفیت کامل ۱۰۰ درصدی خود می‌رسد — بلکه معمولاً در حالت شارژ جزئی بین حدود ۶۰ تا ۹۰ درصد کار می‌کند و تخلیه و شارژ کوتاه‌مدت و مکرری را تجربه می‌کند. بنابراین، در کاربردهای استارت-استاپ، شیمی باتری که این الگو را به خوبی تحمل کند و در حالت‌های شارژ جزئی نیز به‌طور کارآمد بتواند شارژ را بپذیرد، از باتری‌ای که صرفاً بالاترین ظرفیت شارژ کامل را ارائه می‌دهد، اهمیت بیشتری دارد.

_______________________________________________________________________

تأثیر دما بر واکنش

تغییر دما دو چیز را درون سلول تحت تأثیر قرار می‌دهد:

• یون قابلیت جابجایی در دماهای پایین‌تر، الکترولیت ویسکوزتر می‌شود و حرکت یون‌ها کند می‌گردد. این امر توانایی سلول را برای تأمین یا پذیرش جریان بالا کاهش می‌دهد؛ که یکی از دلایل اصلی از دست رفتن توان استارت باتری‌ها در فصل زمستان است.

• واکنش سرعت‌شناسی در دماهای بالاتر، واکنش‌های الکترود سریع‌تر انجام می‌شوند، اما گرمای بیش از حد می‌تواند واکنش‌های جانبی مانند تجزیه الکترولیت، حل‌شدن فلزات انتقالی از کاتد و رشد لایه بین‌روی الکترولیت جامد (SEI) روی آند را تسریع کند. با گذشت زمان، این واکنش‌های جانبی ظرفیت را کاهش داده و عمر چرخه‌ای را کوتاه می‌کنند.

شیمی سدیم-یون اغلب به‌عنوان شیمی‌ای که نسبت به برخی شیمی‌های لیتیوم، قابلیت انتقال یون در دماهای پایین‌تر را بهتری دارد، مطرح می‌شود؛ زیرا انرژی کمتری برای جدا کردن حلقه حلال از یون سدیم لازم است و حلقه حلال آن ضعیف‌تر است، بنابراین یون به‌راحتی‌تر مولکول‌های حلال خود را در رابط الکترود از دست می‌دهد. با این حال، در عمل عملکرد راه‌اندازی سرد یک محصول خودرویی واقعی به طراحی سلول، ترکیب الکترولیت، محدودیت‌های سیستم مدیریت باتری (BMS) و مهندسی بسته بستگی دارد، نه صرفاً به شیمی. گواهی آزمایش یا برگه مشخصات فنی سازنده قابل اعتمادتر از هر ادعای کلی است.

_______________________________________________________________________

چرا سیستم مدیریت باتری (BMS) بخشی از نحوه عملکرد باتری است

باتری خودرویی یون سدیم بیش از صرفاً سلول‌هاست. سیستم مدیریت باتری (BMS) همان چیزی است که نحوهٔ استفاده از سلول‌ها و محافظت از آن‌ها را در حین کار عادی کنترل می‌کند. در یک باتری استارت-استاپ، BMS معمولاً وظایف زیر را انجام می‌دهد:

• ترازسازی سلول‌ها در حین شارژ، تا سطح شارژ سلول‌های جداگانه در بستهٔ باتری نسبتاً یکسان باقی بماند. شارژ کردن، به‌گونه‌ای که سلول‌های جداگانه در بسته، سطح شارژ مشابهی داشته باشند.

• پایش ولتاژ، جریان و دما برای هر سلول یا گروهی از سلول‌ها. برای هر سلول یا گروه از سلول‌ها.

• محافظت در برابر شارژ بیش‌ازحد، تخلیهٔ بیش‌ازحد، اتصال کوتاه و جریان بیش‌ازحد. شارژ بیش‌ازحد، اتصال کوتاه و جریان بیش‌ازحد.

• تخمین وضعیت شارژ (SOC) و وضعیت سلامت (SOH)، که خودرو ممکن است از آن برای تصمیم‌گیری دربارهٔ غیرفعال‌کردن عملکرد استارت-استاپ، کاهش روشنایی لوازم جانبی یا هشدار به راننده استفاده کند. اطلاعاتی که خودرو ممکن است برای تصمیم‌گیری دربارهٔ غیرفعال‌کردن قابلیت استارت-استاپ، کاهش روشنایی لوازم جانبی یا هشدار دادن راننده از آن استفاده کند.

• ارتباط با سیستم الکتریکی خودرو با استفاده از پروتکل‌هایی مانند لین یا کَن، بسته به کاربرد.

شیمی سلول ممکن است با لیتیوم متفاوت باشد، اما نقش سیستم مدیریت باتری (بی‌ام‌اس) در اصل یکسان است. برای خریداران تجاری، این بدان معناست که ارزیابی باتری سدیم-یون برای وسایل نقلیه نباید تنها در سطح شیمی سلول متوقف شود. نرم‌افزار فرم‌ورِ بی‌ام‌اس، کیفیت سخت‌افزار، دقت سنسورها و انطباق با پروتکل الکتریکی وسیله نقلیه، همگی به‌طور مستقیم بر عملکرد واقعی، هزینه گارانتی و رضایت مشتری تأثیر می‌گذارند.

_______________________________________________________________________

تفاوت این سلول با سلول لیتیوم-یون چیست

اصول کار سلول سدیم-یون مشابه سلول لیتیوم-یون است: یون‌ها بین دو الکترود جابه‌جا می‌شوند، الکترون‌ها از مدار خارجی عبور می‌کنند و واکنش‌ها در طول چرخه‌های شارژ و دشارژ برگشت‌پذیر هستند. تفاوت‌ها عمدتاً در مواد به‌کاررفته و پیامدهای عملی آن‌ها قرار دارد.

تفاوت‌های کلیدی شامل موارد زیر است:

•اندازهٔ یون. یون‌های سدیم بزرگ‌تر از یون‌های لیتیوم هستند. این ویژگی بر میزان آسانی ورود و خروج آن‌ها از ساختار الکترود تأثیر می‌گذارد و یکی از دلایل پایین‌بودن چگالی انرژی سلول‌های سدیم-یون در مقایسه با شیمی‌های رایج لیتیوم-یون است.

• جمع‌کننده‌های جریان. سلول‌های سدیم-یون می‌توانند از آلومینیوم در هر دو طرف استفاده کنند، در حالی که سلول‌های لیتیوم-یون نیازمند مس در آند هستند. آلومینیوم ارزان‌تر و سبک‌تر از مس است که این امر طراحی سلول را ساده‌تر می‌کند.

• منابع در دسترس‌بودن. سدیم به‌مراتب فراوان‌تر و از نظر جغرافیایی گسترده‌تر از لیتیوم است. این امر بر مسیرهای بلندمدت هزینه و امنیت تأمین مواد اثر می‌گذارد، به‌ویژه در کاربردهای پرحجم.

•چگالی انرژی. سلول‌های سدیم-یون تجاری فعلی عموماً چگالی انرژی جرمی و حجمی پایین‌تری نسبت به شیمی‌های رایج لیتیوم-یون دارند، هرچند این شکاف بسته به شیمی و نسل سلول متفاوت است.

برای تیم‌های تأمین، پرسش عملی این نیست که «کدام شیمی از نظر نظری بهتر است»، بلکه این است که «کدام شیمی نیازمندی‌های خودروی خاص، آب‌وهوای مربوطه و چرخه کار در هزینه مناسب را برآورده می‌کند». این واقعیت که سدیم و لیتیوم به‌صورت مشابهی کار می‌کنند، تا حدی قابل مقایسه بودن آن‌ها را ممکن می‌سازد، اما به‌معنای جایگزین‌پذیری آن‌ها نیست. برای بررسی دقیق‌تر نحوه عملکرد یک سلول لیتیوم-یون، به بخش «نحوه کار باتری لیتیوم» در خوشه باتری‌های لیتیوم مراجعه کنید.

_______________________________________________________________________

این امر برای استفاده از باتری‌های شروع-توقف در خودروها چه معنایی دارد

برای اینکه یک باتری سدیم-یون در خودروهای شروع-توقف به‌خوبی عمل کند، چند شرط باید همزمان برقرار باشند:

• پذیرش شارژ پذیرش شارژ باید بالا باشد؛ بنابراین آلترناتور بتواند باتری را بین راه‌اندازی‌های مکرر و پس از بارهای سنگین لوازم جانبی به‌سرعت پر کند.

• آمپر شروع در سرما (CCA) مقدار CCA باید برای اندازه موتور و شرایط آب‌وهوایی که خودرو در آن کار می‌کند، کافی باشد. یک سلول سدیم-یون که در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد شروع قوی ارائه می‌دهد، درجه سانتی گراد ممکن است در دمای پایین‌تر همان عملکرد را نداشته باشد. −20 °ج.

• طول عمر چرخه‌ای در حالت شارژ جزئی. باتری باید تعداد بالایی از راه‌اندازی‌های موتور را که در رانندگی شهری انتظار می‌رود، تحمل کند — یک باتری استارت-استاپ در ترافیک شهری ممکن است هفتگی صدها بار موتور را راه‌اندازی کند.

• ادغام سیستم مدیریت باتری (BMS). سیستم مدیریت باتری باید به‌درستی با وسیله نقلیه ارتباط برقرار کند و بسته باتری را در هزاران چرخه جزئی محافظت کند. بدون ادغام صحیح BMS، حتی یک سلول قوی نیز ممکن است به دلیل شارژ نامناسب یا تخلیه بیش‌ازحد آسیب ببیند.

باتری سدیم-یون به‌طور خودکار برای هر وسیله‌نقلیه‌ای با سیستم استارت-استاپ مناسب نیست، صرف‌نظر از وجود این شیمی. مشخصات وسیله‌نقلیه، شرایط آب‌وهوایی، الگوی شارژ و کارهای اعتبارسنجی انجام‌شده توسط خود سازنده همه عوامل مؤثری هستند. تیم‌های تأمین باید همیشه صفحه‌داده‌های فنی محصول را بررسی کرده و از تأمین‌کننده مدارک سازگاری باتری با سیستم‌های خاص وسیله‌نقلیه‌ای که برای آن طراحی شده است درخواست کنند، نه اینکه بر اساس گزاره‌های کلی دربارهٔ شیمی آن اتکا کنند. برای دید جامع‌تری از کاربرد باتری‌های لیتیوم در وسایل نقلیه و سایر کاربردها، راهنمای ستون باتری لیتیوم را ببینید.

_______________________________________________________________________

پرسش‌های متداول

آیا باتری سدیم-یون همان باتری لیتیوم-یون است؟ لیتیوم-یون؟ روشن باتری، چرا چراغ هشدار همچنان روشن است؟

خیر. اصل کلی کارکرد —حرکت معکوس‌پذیر یون‌ها بین دو الکترود —یکسان است. اما مواد تشکیل‌دهنده متفاوت‌اند. سلول‌های سدیم-یون از کاتد مبتنی بر سدیم، آند کربن سخت و الکترولیت‌های نمک سدیم استفاده می‌کنند، درحالی‌که سلول‌های لیتیوم-یون از کاتد مبتنی بر لیتیوم و آند گرافیتی بهره می‌برند.

آیا باتری‌های سدیم-یون باتری نیاز به B MS؟

بله. باتری‌های سدیم-یون خودرویی نیازمند سیستم مدیریت باتری هستند تا ولتاژ سلول‌ها را نظارت کنند، سلول‌ها را متعادل سازند، شارژ و دشارژ را کنترل کنند و بسته را در برابر شرایط ناامن محافظت کنند.

آیا یک باتری سدیم-یون باتری را می‌توان با یک شارژر معمولی راهبری اسید سربی شارژ کرد؟

به‌طور کلی خیر. پنل‌های سدیم-یون دارای پنجره‌های ولتاژی و نمودارهای شارژی متفاوتی نسبت به باتری‌های اسید سربی هستند. استفاده از شارژر ناسازگان می‌تواند به بسته آسیب برساند. همیشه دستورالعمل‌های شارژ سازندهٔ باتری را رعایت کنید و از شارژری استفاده نمایید که برای محصول خاص سدیم-یون تأیید شده است.