باتری‌های سدیمی در برابر باتری‌های لیتیوم‌یونی؛ چه تفاوت‌هایی دارند؟

باتری‌های سدیمی و لیتیوم‌یونی از نظر نحوه عملکرد شباهت زیادی به یکدیگر دارند، اما تفاوت در مواد سازنده و ویژگی‌های شیمیایی آن‌ها باعث شده هرکدام مزایا و محدودیت‌های خاص خود را داشته باشند.

درحالی‌که باتری‌های لیتیوم‌یونی همچنان بخش عمده بازار را در اختیار دارند، فراوانی سدیم، عملکرد بهتر آن در دماهای بسیار پایین و ایمنی بیشتر، توجه تولیدکنندگان را به این فناوری جلب کرده است.

باتری‌های سدیمی و لیتیوم‌یونی چگونه کار می‌کنند؟

باتری‌های سدیم‌یونی از نظر نحوه عملکرد تفاوت چندانی با باتری‌های لیتیوم‌یونی ندارند. هر دو فناوری انرژی را از طریق جابه‌جایی ذرات باردار میان الکترودهای منفی و مثبت ذخیره و آزاد می‌کنند. تفاوت اصلی آن‌ها به ترکیبات سازنده و عنصری مربوط می‌شود که یون‌های موردنیاز را تأمین می‌کند.

در باتری‌های لیتیومی، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت حرکت می‌کنند؛ درحالی‌که باتری‌های سدیمی همین فرایند را با یون‌های سدیم انجام می‌دهند.

مهم‌ترین تفاوت این دو فناوری به چگالی انرژی مربوط می‌شود؛ یعنی مقدار انرژی‌ای که باتری با توجه به وزن و ابعاد خود می‌تواند ذخیره کند. چگالی انرژی سلول‌های باتری سدیم‌یونی به حدود ۱۷۵ وات‌ساعت بر کیلوگرم می‌رسد که تقریباً ۲۰ تا ۳۰ درصد کمتر از باتری‌های لیتیوم‌یونی است.

برای مقایسه، باتری‌های لیتیوم‌آهن‌فسفات (LFP) به چگالی انرژی حدود ۲۰۵ وات‌ساعت بر کیلوگرم می‌رسند. این رقم در باتری‌های لیتیومی NMC (اکسید نیکل، منگنز و کبالت) کمی بیشتر و حدود ۲۵۵ وات‌ساعت بر کیلوگرم است.

چگالی انرژی یکی از معیارهای مهم در انتخاب باتری خودروهای برقی و دستگاه‌های قابل‌حمل محسوب می‌شود. هرچه این شاخص بیشتر باشد، باتری می‌تواند با وزن و ابعاد یکسان انرژی بیشتری ذخیره کند. به همین دلیل، چگالی انرژی پایین‌تر باتری‌های سدیمی فعلاً یکی از موانع اصلی استفاده گسترده از آن‌ها در خودروهای برقی است.

ازآنجاکه یون‌های سدیم بزرگ‌تر و سنگین‌تر از یون‌های لیتیوم هستند، ذخیره انرژی در فضای محدود برای باتری‌های سدیمی دشوارتر خواهد بود. علاوه‌براین، سلول‌های سدیم‌یونی با ولتاژ پایین‌تری کار می‌کنند.

البته این محدودیت‌ها به معنای بی‌فایده بودن باتری‌های سدیمی نیست. برخی تولیدکنندگان، ازجمله CATL و جنرال موتورز، با همکاری شرکت Peak Energy، توسعه و تولید تجاری این باتری‌ها در مقیاس بزرگ‌تر را دنبال می‌کنند. بنابراین، ممکن است در آستانه آغاز موج گسترده‌تری از استفاده از باتری‌های سدیمی قرار داشته باشیم.

مقایسه هزینه، عملکرد در هوای سرد و ایمنی

بزرگ‌ترین مزیت سدیم، فراوانی آن در طبیعت است؛ این عنصر تقریباً همه‌جا یافت می‌شود و دسترسی به آن در مقایسه با لیتیوم بسیار آسان‌تر است. بااین‌حال، فراوانی مواد اولیه هنوز به تولید انبوه باتری‌های سدیمی منجر نشده است.

از سوی دیگر، فناوری لیتیوم‌یونی از نظر تولید و استفاده، فاصله زیادی با رقبای خود دارد. این فناوری سال‌هاست در صنایع مختلف به کار گرفته می‌شود و زیرساخت‌های تولید آن به بلوغ رسیده‌اند. هرچند باتری‌های لیتیومی به‌مراتب گران‌تر هستند، هزینه آن‌ها هنوز به‌اندازه‌ای کاهش نیافته که بتوان به‌راحتی جایگزینی گسترده برایشان در صنعت متصور شد.

البته فراوانی سدیم به این معنا نیست که تولید باتری‌های سدیمی کاملاً بدون چالش خواهد بود. برای مثال، باتری سدیم‌یونی مورد استفاده در خودروی برقی سال ۲۰۲۴ شرکت JAC Motors، علاوه‌بر سدیم به مواد دیگری نیز نیاز دارد. تأمین برخی از این مواد، مانند نیکل و منگنز، همچنان دشوار است.

تولید انبوه نیز یک‌شبه اتفاق نمی‌افتد و ایجاد زنجیره تأمین و سازمان‌دهی آن به زمان نیاز دارد. بااین‌حال، نشانه‌های امیدوارکننده‌ای از پیشرفت این صنعت دیده می‌شود و باتری‌های سدیمی به‌تدریج مسیر خود را به‌سمت بازارهای تجاری باز می‌کنند.

عملکرد باتری‌های سدیمی در هوای سرد

یکی از بخش‌هایی که باتری‌های سدیمی برتری محسوسی نسبت به نمونه‌های لیتیومی دارند، عملکرد در دماهای بسیار پایین است؛ بر اساس اطلاعات آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، باتری‌های سدیم‌یونی در دمای منفی ۴۰ درجه سانتی‌گراد می‌توانند ۹۰ درصد ظرفیت خود را حفظ کنند. در مقابل، عملکرد باتری‌های لیتیوم‌یونی در چنین دماهایی به‌شدت افت می‌کند.

باتری‌های سدیمی از نظر ایمنی نیز مزیتی مهم دارند؛ زیرا احتمال بروز پدیده فرار حرارتی (Thermal Runaway) در آن‌ها کمتر است. این سلول‌ها گرمای کمتری تولید می‌کنند و در مقایسه با نمونه‌های لیتیوم‌یونی به سامانه‌های حفاظتی کمتری نیاز دارند.

فرار حرارتی زمانی اتفاق می‌افتد که افزایش دمای باتری باعث تسریع واکنش‌های شیمیایی داخلی شود؛ این فرایند می‌تواند گرمای بیشتری تولید کند و در نهایت به آتش‌سوزی یا حتی انفجار باتری منجر شود. کاهش احتمال وقوع چنین پدیده‌ای یکی از مزایای مهم فناوری سدیم‌یونی به شمار می‌رود.

البته این موضوع به معنای ضدآتش بودن باتری‌های سدیمی نیست؛ اما نشان می‌دهد که این فناوری ممکن است در شرایطی مانند تصادف خودروها، گزینه‌ای باثبات‌تر و ایمن‌تر باشد.

آیا باتری‌های سدیمی آینده‌ای در صنعت دارند؟

شرکت‌هایی مانند CATL و GMC در کنار HiNa Battery Technology و Natron Energy (که اکنون بخشی از شرکت Draslovka محسوب می‌شود)، حرکت به‌سمت توسعه باتری‌های سدیمی را آغاز کرده‌اند.

بیشتر این شرکت‌ها بر کاربردهای خودرویی تمرکز دارند و برخی دیگر نیز به‌دنبال استفاده از این فناوری برای تأمین انرژی مراکز داده هستند. بااین‌حال، باتری‌های سدیمی برای به چالش کشیدن سلطه تقریباً بی‌رقیب باتری‌های لیتیومی در صنعت، به کاربردهای بیشتری نیاز دارند.

یکی از امیدوارکننده‌ترین حوزه‌ها برای شروع این مسیر، ذخیره‌سازی ثابت انرژی است. تأسیسات ذخیره انرژی که از شبکه برق پشتیبانی می‌کنند، برخلاف خودروهای برقی با محدودیت‌های مشابهی در زمینه وزن و ابعاد روبه‌رو نیستند. به همین دلیل، چگالی انرژی پایین‌تر باتری‌های سدیمی در چنین کاربردهایی مشکل چندان بزرگی محسوب نمی‌شود.

برای درک بهتر رقابت میان این دو فناوری، نویسنده به نبرد قدیمی فرمت‌های Betamax و VHS اشاره می‌کند. اگر این رقابت را به خاطر داشته باشید، می‌دانید که Betamax در برخی زمینه‌ها برتری‌هایی نسبت به VHS داشت و درعین‌حال با محدودیت‌هایی نیز روبه‌رو بود. بااین‌وجود، VHS در نهایت به لطف مقیاس تولید گسترده‌تر و وابستگی مصرف‌کنندگان به این فرمت، پیروز میدان شد.

باتری‌های سدیمی نیز با موانع قابل‌توجهی روبه‌رو هستند. تولید جهانی باتری‌های سدیم‌یونی در سال ۲۰۲۵ به‌مراتب کمتر از باتری‌های لیتیوم‌یونی بوده است.

در طرف مقابل، صنعت باتری‌های لیتیومی از زیرساخت‌های تولیدی تثبیت‌شده، قیمت‌های رقابتی در حوزه باتری‌های LFP و زنجیره‌های تأمین قدرتمندی برخوردار است. این مزایا باعث می‌شوند کنار زدن فناوری لیتیوم‌یونی برای رقبای سدیمی کار آسانی نباشد.

احتمال دارد آینده این دو فناوری نه با حذف یکی به نفع دیگری، بلکه از طریق همکاری و تکمیل قابلیت‌های یکدیگر شکل بگیرد. باتری‌های سدیمی می‌توانند در حوزه‌هایی که باتری‌های لیتیومی عملکرد مناسبی ندارند، مانند فعالیت در سرمای شدید، نقش مهمی ایفا کنند. همچنین می‌توان از بسته‌های باتری ترکیبی استفاده کرد که در آن‌ها باتری‌های لیتیومی وظایف معمول خود را برعهده دارند و باتری‌های سدیمی برای کاربردهای دیگر به کار گرفته می‌شوند.

در چنین شرایطی، موفقیت فناوری سدیم‌یونی لزوماً به معنای کنار رفتن باتری‌های لیتیومی نخواهد بود؛ بلکه می‌تواند گزینه‌های بیشتری در اختیار مصرف‌کنندگان قرار دهد و در نهایت به نفع آن‌ها تمام شود.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.