افزودن آب به باتری‌های سدیم یون ظرفیت انرژی را تقریباً دو برابر می‌کند

باتری‌های سدیم یونی با وجود مزایای زیاد نسبت به لیتیوم یونی‌ها، همچنان در زمینه‌ی ذخیره انرژی ضعف دارند. باتری‌های لیتیوم یونی از نظر چگالی انرژی و وزن سبک همچنان بهترین گزینه محسوب می‌شوند و در خودروهای برقی و تلفن‌های همراه کاربردی گسترده دارند؛ با‌این‌حال، استخراج لیتیوم پرهزینه و زیان‌آور است و این باتری‌ها گاهی بیش‌از‌حد داغ می‌شوند، ممکن است آتش بگیرند و در دماهای بسیار پایین عملکرد مناسبی نداشته باشند، بنابراین، روشی جدید که از کاتدهای غنی از آب در باتری‌های سدیم یونی بهره می‌برد، می‌تواند محدودیت‌ها را تغییر دهد.

بنابراین، اکنون پژوهشگران تمرکز زیادی را صرف باتری‌های سدیم یونی می‌کنند. سدیم عنصری فراوان است، استخراج آن آسان است و مشکلات ژئوپلیتیکی مرتبط با لیتیوم را ندارد. باتری‌های سدیم یونی ایمن‌تر، ارزان‌تر و عاری از مشکلات زنجیره تأمین هستند، اما معمولاً سنگین‌ترند و انرژی کمتری نسبت به وزنشان تولید می‌کنند.

دانیل کوماندور، نویسنده‌ی اصلی پژوهش، توضیح می‌دهد: «اکسید سدیم وانادیوم سال‌هاست شناخته شده و معمولاً برای حذف آب حرارت داده می‌شود، چون تصور می‌شد آب مشکل‌ساز است. ما این فرضیه را به چالش کشیدیم و نتیجه بسیار بهتر از انتظار بود. ماده عملکرد و پایداری قوی‌تری نشان داد و حتی امکان‌های تازه‌ای برای کاربردهای آینده‌ی باتری‌ها ایجاد کرد.»

ترکیب هیدرات وانادات نانوساختار به‌حدی موثر بود که پژوهشگران آن را اکنون در بالاترین رده‌ی مواد کاتدی برای باتری‌های سدیم یونی قرار داده‌اند. باتری‌های آزمایشی ساخته شده با این ماده، طی بیش از ۴۰۰ چرخه شارژ پایداری خود را حفظ کردند.

براساس یافته‌های مطالعه، افزایش ظرفیت ذخیره‌ی انرژی به دلیل وجود آب اضافی در ماده است. آب باعث می‌شود لایه‌های ماده کمی از هم فاصله بگیرند و فضای بیشتری برای حرکت یون‌های سدیم ایجاد شود، در نتیجه کاتد می‌تواند یون‌های بیشتری را ذخیره کند.

تیم پژوهشی به کشف جالب دیگری نیز دست یافتند. پژوهشگران در آزمایش عملکرد ترکیب هیدرات وانادات نانوساختار، هیدراته را به‌عنوان ماده‌ای بالقوه برای نمک‌زدایی آب آزمایش کردند و نتیجه گرفتند که کارایی آن هم‌سطح یا حتی بهتر از الکترودهای رایج است.

در پایان، کوماندور نتیجه‌گیری کرد: «توانایی استفاده از ترکیب هیدرات وانادات در آب شور کشف بسیار هیجان‌انگیزی است که نشان می‌دهد باتری‌های سدیم یونی می‌توانند فراتر از ذخیره‌ی انرژی عمل کنند و به حذف نمک از آب هم کمک کنند. در بلندمدت، می‌توان سیستم‌هایی طراحی کرد که از آب دریا به‌عنوان الکترولیت رایگان و ایمن استفاده کنند و همزمان، آب شیرین تولید کنند.»

مطالعه در نشریه‌ی Materials Chemistry A منتشر شده است.