هل تتفوق بطاريات الصوديوم على بطاريات الليثيوم-فوسفات الحديد في الكفاءة والأداء الحراري؟

في ظل تزايد الطلب العالمي على حلول تخزين الطاقة البديلة والمستدامة، باتت بطاريات أيونات الصوديوم (SIBs)  تبرز كخيار محتمل لمنافسة بطاريات الليثيوم-فوسفات الحديدية (LFP) ، دراسة ألمانية حديثة سلطت الضوء على الفروقات الجوهرية في الأداء الكهربائي بين هذين النوعين من البطاريات، خصوصاً في ظل اختلاف درجات الحرارة وحالات الشحن المختلفة.

الدراسة التي أجراها باحثون من جامعة ميونيخ التقنية (TUM) وجامعة آر دبليو تي إتش آخن (RWTH Aachen)  تناولت مقارنة مباشرة بين بطاريات SIBs عالية الطاقة وبطاريات LIBs مع كاثود من LFP ، وتوصل الباحثون إلى أن بطاريات الصوديوم تتأثر بشكل أكبر بدرجات الحرارة ومستوى الشحن مقارنة ببطاريات الليثيوم، وهو ما ينعكس بشكل واضح على مقاومة النبض (impulse resistance) والمعاوقة (impedance)  الكهربائية.

 لماذا تختلف بطاريات الصوديوم عن الليثيوم؟

رغم أن بطاريات الصوديوم تُعد غالباً “بديلًا مباشرًا” (drop-in replacement)  لبطاريات الليثيوم، إلا أن الاختلاف في السلوك الكهروكيميائي بين الصوديوم والليثيوم يتطلب تعديلات على مستوى كل من المصعد (الأنود) والكاثود. فعلى سبيل المثال، بينما يُستخدم الجرافيت غالبًا كمصعد في بطاريات الليثيوم، يُنظر إلى الكربون الصلب (hard carbon) كأفضل مادة واعدة لمصعد بطاريات الصوديوم.

الدراسة كشفت أن بطاريات الصوديوم تُظهر “هسترة الجهد المفتوح” (OCV hysteresis) بشكل ملحوظ عند حالات الشحن المنخفضة، وهو ما ربطه الباحثون بخصائص الكربون الصلب المستخدم في المصعد. ومن جهة أخرى، فإن مقاومة التيار المستمر والمعاوقة في بطاريات الصوديوم تزداد بشكل ملحوظ عند مستويات شحن أقل من 30%، في حين تنخفض عند المستويات الأعلى، مما يدل على حساسية أدائها لحالة الشحن.

 التأثير الحراري والكفاءة الديناميكية

أظهرت الدراسة أن أداء بطاريات الصوديوم أكثر تأثرًا بدرجات الحرارة مقارنة بنظيراتها الليثيوم. فبينما لا تتأثر كفاءة بطاريات الليثيوم بشكل كبير بتغيّرات حالة الشحن، فإن بطاريات الصوديوم تُظهر تحسناً كبيرًا في الكفاءة عند شحنها ضمن نطاق 50% إلى 100% مقارنة بدورات الشحن بين 0% إلى 50%، حيث تقل الخسائر في الكفاءة بأكثر من النصف.

وقد استخدم الفريق تقنيات متعددة لتقييم الأداء، منها قياسات جهد الدائرة المفتوحة، واختبارات GEIS (المعاوقة) في ظروف حرارية مختلفة، واختبارات السعة الديناميكية تحت سرعات شحن متعددة.

 دلالات مستقبلية

تؤكد هذه النتائج أن بطاريات الصوديوم ليست مجرد بديل تقني، بل تتطلب استراتيجيات تشغيل مختلفة تمامًا لتحقيق أقصى كفاءة وأداء ممكنين، خصوصًا في تطبيقات درجات الحرارة المتغيرة أو أنماط الشحن الجزئي. كما أن الانتقال الصناعي إلى بطاريات SIBs يحتاج إلى تصميمات نظامية تتكيف مع هذه الفروقات الجوهرية.

 المصدر:

Mathias Rehm, Marco Fischer, Manuel Rubio Gomez, Moritz Schütte, Dirk Uwe Sauer (March 2025), Comparing the electrical performance of commercial sodium-ion and lithium-iron–phosphate batteries, Journal of Power Sources, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2025.236290