طور علماء يابانيون طريقة جديدة لا تعزز أداء بطاريات أيونات الصوديوم فحسب، بل تطيل عمرها الافتراضي أيضًا. يُعد الصوديوم العنصر السادس من حيث الوفرة على الأرض، ويُعتبر بديلاً اقتصاديًا ومستدامًا لبطاريات الليثيوم أيون، لكنه يواجه تحديات في بعض الحالات.

استكشف الباحثون مؤخرًا الدور الحاسم لتصميم مواد الكاثود في عمر البطارية واستقرارها. اكتسب أكسيد المنغنيز الصوديوم الطبقي (NaMnO2) اهتمامًا متزايدًا كمادة كاثود لبطاريات أيونات الصوديوم.

قال البروفيسور Shinichi Komaba من جامعة طوكيو للعلوم: "تؤكد نتائج بحثنا أن أكاسيد المنغنيز تمثل حلاً واعدًا ومستدامًا لتطوير بطاريات أيونات الصوديوم عالية المتانة. وبما أن تكلفة المنغنيز والصوديوم منخفضة نسبيًا، فإن هذا البحث سيوفر حلول تخزين طاقة أكثر اقتصادية لتطبيقات متنوعة مثل الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية، مما يؤدي في النهاية إلى مستقبل أكثر استدامة.”

كشف الباحثون أن NaMnO2 له شكلان بلوريان: α-NaMnO2 وβ-NaMnO2. يتمتع الطور α بهيكل طبقي أحادي الميل، حيث تتكون طبقات MnO2 المسطحة من ثمانيات أوجه MnO6 مشوهة مشتركة الحواف، مكدسة بالتناوب مع أيونات الصوديوم بينها؛ أما β-NaMnO2 فيحتوي على طبقات ثمانيات أوجه MnO6 مشوهة مشتركة الحواف ذات شكل مموج أو متعرج، مع أيونات الصوديوم بينها أيضًا. وفقًا للبيان الصحفي، يتطلب تخليق β-NaMnO2 درجات حرارة عالية عادةً، مما يؤدي غالبًا إلى طور ناقص الصوديوم، ومحاولة منع الطور الناقص تنتج طور β غير متوازن يحتوي على عيوب متعددة، أبرزها أخطاء التراص (SF) الناتجة عن انزلاق مستوى bc البلوري، مما يولد تسلسل تراص مشابه للطور α.

تُظهر الأقطاب المصنوعة من β-NaMnO2 المحتوية على SF انخفاضًا كبيرًا في السعة خلال دورات الشحن/التفريغ، مما يحد من التطبيقات العملية، كما يعقد SF فهم الكيمياء الصلبة لهذه المادة.

قال البروفيسور Shinichi Komaba: "في دراسات سابقة، وجدنا أن النحاس هو الدوبانت الوحيد القادر على تثبيت β-NaMnO2 بنجاح بين الدوبانتات المعدنية. في هذه الدراسة، استكشفنا بشكل منهجي كيف يمنع الدوبينج بالنحاس SF ويحسن الأداء الكهروكيميائي لأقطاب β-NaMnO2 في بطاريات أيونات الصوديوم."

نُشرت الدراسة في مجلة Advanced Materials، وأظهرت أن NMCO-12 لم يظهر أي تدهور في السعة خلال 150 دورة، مما يشير إلى أن الطور β الخالي من SF يتمتع بقابلية عكس عالية، ويقاوم انزلاق الصفائح غير المتجانسة والتغيرات الحادة في حجم الشبكة أثناء إزالة/إدخال أيونات الصوديوم. تبرز هذه الاكتشافات التأثير الكبير لأكاسيد المنغنيز على بطاريات أيونات الصوديوم.

بالإضافة إلى ذلك، تشير الدراسة إلى أن تثبيت SF عبر الدوبينج بالنحاس يمكن أن يحل مشكلات ضعف سلسلة التوريد التي تواجه عادةً معادن مثل الليثيوم، مما له تأثير محتمل على تخزين الطاقة في الشبكات، والسيارات الكهربائية، والإلكترونيات الاستهلاكية.