قیمت لیتیوم از سال 2020 تقریباً ده برابر شده است و ایلان ماسک اخیراً این فلز را “نفت جدید” نامیده است. کاهش هزینه باتری ها نه تنها منجر به صرفه جویی گسترده می شود، بلکه انتقال نرم تر از سوخت های فسیلی به منابع انرژی تجدید پذیر را نیز ممکن می سازد.
بسیاری از فناوری های جایگزین باتری در حال بررسی هستند، اما تاکنون هیچ یک جایگزین لیتیوم به عنوان ماده اصلی انتخابی نشده است.
اکنون، دانشمندان دانشگاه ایالتی آریزونا رویکرد متفاوتی را پیشنهاد کرده اند: به جای جایگزینی لیتیوم، آن را با سدیم رقیق میکنند. سدیم به صورت کلرید سدیم (نمک) در آب دریا به راحتی در دسترس و فراوان است و به طور بالقوه بار مالی و زیست محیطی لیتیوم را کاهش می دهد.
این تیم از تکنیکی که قبلا توسعه داده بودند برای آزمایش پایداری انرژی لیتیوم با 10 درصد سدیم استفاده کردند و دریافتند که این مخلوط بدون کاهش عملکرد باتری پایدار است.
آنها انتظار دارند که می توانند غلظت را تا 20 درصد سدیم بدون کاهش کارایی افزایش دهند. آنها یافته های خود را در کنفرانس ژئوشیمی گلداشمیت، که از 9 تا 14 جولای در لیون، فرانسه برگزار شد، ارائه کردند.
باتری لیتیوم یونی
قلب هر باتری لیتیوم یونی واکنش شیمیایی است که بین یون های لیتیوم و آند و کاتد باتری رخ می دهد. آند معمولاً از گرافیت ساخته شده است، در حالی که کاتد از اکسیدهای فلزی لیتیوم (معمولاً اکسید لیتیوم کبالت) تشکیل شده است.
هنگامی که باتری در حال استفاده است، یون های لیتیوم از طریق الکترولیت از آند به کاتد می گذرد و انرژی را در این فرآیند آزاد می کند. برعکس زمانی اتفاق می افتد که باتری در حال شارژ شدن است.
تیم تحقیقاتی امکان ادغام سدیم در کاتد باتری های لیتیوم یون را ارزیابی کردند. آنها این ماده را از منظر ترمودینامیک مطالعه کردند. زیرا یک مولکول ترمودینامیکی پایدار بعید است تحت شرایط مختلف تجزیه شود.
الکساندرا ناوروتسکی، محقق اصلی این تلاش میگوید: “به منظور درک ساخت باتری، استفاده از باتری، نگه داشتن باتری تا زمانی که ممکن است کار کند و در نهایت بازیافت یا دور ریختن مواد، کسی باید پایداری مواد را درک کند.”
برای یک آزمایش کامل، پایداری آند و الکترولیت نیز باید مورد مطالعه قرار گیرد. با این حال، ناوروتسکی میگوید، این مواد از نظر شیمیایی بسیار ساده تر هستند و بعید است که مشکلات بزرگی ایجاد کنند.
برای بررسی پایداری ترمودینامیکی مواد کاتدی دوپ شده با سدیم، دانشمندان از تکنیکی به نام کالریمتری افت دمای بالا استفاده کردند. این روش که در آزمایشگاه آنها پیشگام بوده و در طی چندین دهه توسعه یافته است، امکان اندازه گیری دقیق تغییرات انرژی را که از واکنش های شیمیایی در دماهای بالا رخ می دهد را مسیر میکند.
تعیین پایداری ترمودینامیکی هر ماده، مانند کاتد دوپ شده با سدیم، نیازمند اندازه گیری انرژی در تشکیل آن است که انرژی واکنش نیز نامیده میشود، از اجزای واکنش دهنده.(در این مورد، اکسید فلز لیتیوم و اکسیدهای فلز سدیم) در حالت ایده آل، محققان به طور مستقیم انرژی مربوط به تبدیل واکنش دهنده ها به محصول مورد نظر را اندازه گیری می کنند.
با این حال، برای بسیاری از مواد، واکنش های تشکیل به آرامی حتی در دماهای بالا اتفاق میافتد و اندازه گیری مستقیم انرژی را غیرعملی یا غیرممکن میسازد.
در عوض، محققان انرژی مربوط به ترکیب هر جزء با ماده سوم (محصول نهایی را با همان ماده سوم) آزمایش میکنند و تفاوت بین این اندازه گیریها را برای تعیین انرژی واکنش مورد نظر میگیرند. نارووتسکی میگوید: “در مورد ما، این ماده سوم انحلال جادویی ما در حلال نمک مذاب در محلول قطره کالری سنج است.”
نتایج تحقیقات
تیم دانشگاه ایالتی آریزونا با بررسی های خود دریافتند که کاتد با دوپینگ سدیم تا 20 درصد ثابت مانده است. با این حال، با افزایش بیشتر غلظت سدیم، چیز جالبی را مشاهده کردند.
به جای حفظ همان ساختار در حالی که ترکیب متفاوتی داشت، این ماده دچار دگرگونی ساختاری شد. متأسفانه، این ساختار جدید دارای خواص الکتریکی مطلوب لازم برای یک باتری قابل دوام نیست.
این مطالعه نشان می دهد که تا 20 درصد از لیتیوم مورد استفاده در باتری ها را می توان به طور بالقوه با سدیم به دست آمده از نمک جایگزین کرد. این کار اولین گام اساسی است که نشان می دهد رقیق کردن لیتیوم با سدیم از نظر شیمیایی امکان پذیر است. اینکه آیا این منجر به باتری های عملی با صرفه جویی در هزینه خواهد شد یا خیر، باید دید.
نارووتسکی می گوید: “علاقه ما واقعاً دانش اساسی از تفاوت در پایداری مواد با ترکیب یا سایر پارامترها است. زمانی که آن چیزها را پیدا کردیم، وقتی مواد جدیدی ساختیم، عموماً آنها را به همکارانی میسپاریم که شخصیت های واقعی آنها را در باتری انجام میدهند.”