แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออน (SIB) ซึ่งเป็นโซลูชันการจัดเก็บพลังงานที่เกิดขึ้นใหม่ เป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ประเภทหนึ่งที่ต้องอาศัยการเคลื่อนที่ของไอออนโซเดียมระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วลบในระหว่างกระบวนการชาร์จและการคายประจุ ทำงานโดยใช้กลไก "เก้าอี้โยก" คล้ายกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในระหว่างการชาร์จ ไอออนโซเดียม (Na+) จะถูกแยกออกจากอิเล็กโทรดบวก (แคโทด) เคลื่อนผ่านอิเล็กโทรไลต์ และใส่เข้าไปในอิเล็กโทรดลบ (แอโนด) ในเวลาเดียวกัน อิเล็กตรอนจะไหลผ่านวงจรภายนอกจากแคโทดไปยังแอโนดเพื่อรักษาความเป็นกลางของประจุ เมื่อคายประจุ ไอออนโซเดียมจะเคลื่อนกลับจากขั้วบวกไปยังแคโทด และอิเล็กตรอนจะไหลไปในทิศทางตรงกันข้ามผ่านวงจรภายนอกเพื่อให้พลังงานไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในระบบแบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนทั่วไป แคโทดอาจทำจากโลหะออกไซด์ที่มีทรานซิชันที่มีโซเดียมสูง เช่น NaCoO₂ และขั้วบวกอาจเป็นวัสดุที่มีคาร์บอนแข็งเป็นหลัก ขณะที่ประจุแบตเตอรี่ ไอออนโซเดียมจะออกจากแคโทด NaCoO₂ และหาทางเข้าไปในขั้วบวกคาร์บอนแข็ง เพื่อกักเก็บพลังงานไว้ในกระบวนการ
บทความนี้มุ่งเน้นไปที่แนวโน้มการใช้งานและข้อดีของแบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนในสองด้านเฉพาะ: ไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์และแบตเตอรี่สตาร์ทรถจักรยานยนต์ ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงและต่ำอย่างน่าทึ่งของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนช่วยให้แบตเตอรี่สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมที่หลากหลาย ตั้งแต่บริเวณที่หนาวจัดไปจนถึงบริเวณที่ร้อนอบอ้าว คุณลักษณะเฉพาะของความสามารถในการจัดเก็บและขนส่งที่ 0V ไม่เพียงทำให้กระบวนการโลจิสติกส์ง่ายขึ้น แต่ยังช่วยเพิ่มความปลอดภัยระหว่างการจัดการอีกด้วย คุณสมบัติเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในบริบทของไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์และแบตเตอรี่สตาร์ทรถจักรยานยนต์ เนื่องจากสามารถเอาชนะความท้าทายที่เกิดจากสภาพแวดล้อมการใช้งานและสภาพการจัดเก็บที่แตกต่างกัน และคาดว่าจะนำโอกาสการพัฒนาใหม่มาสู่การใช้งานทั้งสองสาขานี้
ตลาดไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์มีการเติบโตที่โดดเด่นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จากการวิจัยตลาด ขนาดตลาดไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลกมีมูลค่าจำนวนมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา และคาดว่าจะเติบโตที่อัตราการเติบโตต่อปี (CAGR) ที่ 15% ในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ ในปี 2566 ขนาดของตลาดมีมูลค่าสูงถึง 150 พันล้านดอลลาร์ และคาดว่าจะขยายตัวต่อไปเนื่องจากการลงทุนที่เพิ่มขึ้นในโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานทดแทน โดยเฉพาะในประเทศกำลังพัฒนา ตัวอย่างเช่น ในประเทศต่างๆ เช่น อินเดียและบางประเทศในแอฟริกา โครงการริเริ่มที่นำโดยรัฐบาลสำหรับการใช้พลังงานไฟฟ้าในชนบทและโครงการเมืองอัจฉริยะ กำลังผลักดันความต้องการไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์
อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่มีอยู่ซึ่งใช้ในไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์มีข้อจำกัดหลายประการ แบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบดั้งเดิมซึ่งยังคงใช้กันทั่วไปในระบบไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์บางระบบ มีวงจรชีวิตค่อนข้างสั้น โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 300 - 500 รอบ นอกจากนี้ยังมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำ ซึ่งหมายความว่าต้องใช้ชุดแบตเตอรี่ที่ใหญ่กว่าและหนักกว่าเพื่อเก็บพลังงานในปริมาณเท่ากัน เมื่อเทียบกับเคมีของแบตเตอรี่ขั้นสูง ซึ่งไม่เพียงเพิ่มค่าใช้จ่ายในการติดตั้งและบำรุงรักษา แต่ยังจำกัดประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์อีกด้วย แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึงแม้จะมีความก้าวหน้ากว่า แต่ก็ประสบปัญหาต่างๆ เช่น ต้นทุนสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากการขาดแคลนทรัพยากรลิเธียมและราคาที่สูง ยิ่งไปกว่านั้น ประสิทธิภาพการทำงานจะลดลงอย่างมากในอุณหภูมิที่สูงมาก ทั้งสูงและต่ำ ในพื้นที่หนาวเย็น ความจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถลดลงได้มากถึง 30 - 50% ที่อุณหภูมิต่ำกว่า - 20°C ซึ่งช่วยลดเวลาในการส่องสว่างและความน่าเชื่อถือของไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์
แบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนแสดงสมรรถนะที่อุณหภูมิสูงและต่ำได้อย่างดีเยี่ยม ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ที่ทำงานในสภาพภูมิอากาศที่หลากหลาย แบตเตอรี่เหล่านี้สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ตั้งแต่บริเวณที่เย็นจัดโดยมีอุณหภูมิต่ำถึง - 40°C ไปจนถึงพื้นที่ร้อนที่มีอุณหภูมิสูงถึง 80°C ในสภาพอากาศหนาวเย็น การเคลื่อนที่ของโซเดียมไอออนภายในโครงสร้างแบตเตอรี่จะได้รับผลกระทบน้อยกว่าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ส่งผลให้การรักษาความจุของแบตเตอรี่ยังคงค่อนข้างสูง ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิ - 20°C แบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถรักษาความจุอุณหภูมิห้องได้มากกว่า 85% ทำให้มั่นใจได้ว่าไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์สามารถให้แสงสว่างสม่ำเสมอแม้ในฤดูหนาวที่รุนแรง
ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง แบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนจะมีเสถียรภาพที่ดีขึ้นเช่นกัน มีโอกาสน้อยที่จะเกิดการหนีความร้อน ซึ่งเป็นสภาวะอันตรายที่แบตเตอรี่ร้อนเกินไปและอาจลุกไหม้หรือระเบิดได้ ซึ่งเป็นข้อกังวลสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่อุณหภูมิสูง ความยืดหยุ่นในอุณหภูมิสูงและต่ำทำให้มั่นใจได้ว่าไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งแบตเตอรี่โซเดียมไอออนสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือตลอดทั้งปี โดยไม่คำนึงถึงสภาพอากาศในท้องถิ่น จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมและอายุการใช้งานของระบบไฟส่องสว่าง
คุณลักษณะเฉพาะของแบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนที่สามารถจัดเก็บและขนส่งที่ 0V นำมาซึ่งข้อได้เปรียบที่สำคัญต่ออุตสาหกรรมไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ ในการจัดเก็บและขนส่งแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมของไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ โดยเฉพาะแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน จะต้องจัดเก็บไว้ที่สถานะการชาร์จ (SOC) ที่แน่นอนเพื่อป้องกันความเสียหายต่อเซลล์แบตเตอรี่ ซึ่งจำเป็นต้องมีการตรวจสอบและการจัดการอย่างรอบคอบระหว่างการจัดเก็บและการขนส่ง ซึ่งเพิ่มความซับซ้อนและต้นทุน
อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนสามารถจัดเก็บและขนส่งได้ที่ 0V ซึ่งช่วยให้กระบวนการโลจิสติกส์ง่ายขึ้น ไม่จำเป็นต้องมีการจัดการการชาร์จและการคายประจุที่ซับซ้อนก่อนการจัดเก็บหรือหลังการขนส่ง ซึ่งไม่เพียงช่วยลดความเสี่ยงของการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ระหว่างการจัดเก็บและการขนส่ง แต่ยังช่วยลดต้นทุนที่เกี่ยวข้อง เช่น ความจำเป็นในการจัดเก็บแบบพิเศษและอุปกรณ์การขนส่งเพื่อรักษา SOC ของแบตเตอรี่ สำหรับโครงการติดตั้งไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ ซึ่งจำเป็นต้องขนส่งแบตเตอรี่จำนวนมากไปยังสถานที่ต่างๆ คุณสมบัติการจัดเก็บและการขนส่ง 0V นี้สามารถนำไปสู่การประหยัดทั้งเวลาและเงินได้อย่างมาก
ความคุ้มทุนคือข้อดีประการหนึ่งของแบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนสำหรับไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ โซเดียมเป็นองค์ประกอบที่มีอยู่มากมาย ซึ่งกระจายอยู่ทั่วไปในเปลือกโลก และต้นทุนการสกัดและการผลิตก็ค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับลิเธียม กระบวนการผลิตแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนยังมีศักยภาพที่จะประหยัดต้นทุนได้มากขึ้นเนื่องจากความเรียบง่าย เป็นผลให้ต้นทุนโดยรวมของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนอาจต่ำกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างมาก ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับตลาดไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีความอ่อนไหวต่อต้นทุน ต้นทุนแบตเตอรี่ที่ลดลงสามารถนำไปสู่การลดต้นทุนโดยรวมของระบบไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ ทำให้มีราคาไม่แพงมากสำหรับการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในภูมิภาคกำลังพัฒนาที่มีข้อจำกัดด้านงบประมาณ
ในแง่ของอายุการใช้งาน แบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนมีอายุการใช้งานค่อนข้างยาวนาน โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 1,000 - 2,000 รอบ ซึ่งใช้งานได้ยาวนานกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบเดิมมาก อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นหมายความว่าไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์จำเป็นต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่น้อยลง ซึ่งช่วยลดต้นทุนการบำรุงรักษาและการหยุดทำงานของระบบไฟส่องสว่าง ตัวอย่างเช่น หากระบบไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์คาดว่าจะใช้งานได้เป็นเวลา 10 - 15 ปี แบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนที่มีอายุการใช้งานยาวนานสามารถรับประกันประสิทธิภาพการทำงานที่มั่นคงตลอดช่วงเวลานี้โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่บ่อยครั้ง ซึ่งไม่ใช่กรณีของแบตเตอรี่ที่มีวงจรชีวิตสั้นกว่า เช่น ตะกั่ว - กรด
นอกจากนี้แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย วัสดุที่ใช้ในการผลิตโดยทั่วไปไม่เป็นพิษและเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะหนักและสารพิษบางชนิดที่มีอยู่ในแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม ซึ่งสอดคล้องกับการมุ่งเน้นระดับโลกที่เพิ่มมากขึ้นในด้านโซลูชั่นพลังงานสีเขียวที่ยั่งยืน ทำให้แบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์จากมุมมองด้านสิ่งแวดล้อม
การใช้แบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนในตลาดไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์คาดว่าจะมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างมากในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ในขณะที่เทคโนโลยียังคงเติบโตอย่างต่อเนื่องและต้นทุน - ประสิทธิผลดีขึ้น ส่วนแบ่งการตลาดของไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งแบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนก็คาดว่าจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง คาดว่าในอีก 5 - 10 ปีข้างหน้า ส่วนแบ่งการตลาดของไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้แบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนจะค่อยๆ สูงถึง 30% แทนที่ไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์แบบเดิมบางส่วน
ขอบเขตการใช้งานไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์พร้อมแบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนก็มีแนวโน้มที่จะขยายตัวเช่นกัน ปัจจุบันไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ส่วนใหญ่จะใช้ในถนนในเมือง สวนสาธารณะ และพื้นที่ชนบทบางแห่ง ในอนาคต ด้วยการพัฒนาแนวคิดเมืองอัจฉริยะ ไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้แบตเตอรี่โซเดียมไอออนสามารถบูรณาการเข้ากับระบบโครงสร้างพื้นฐานในเมืองที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ พวกเขาอาจติดตั้งเซ็นเซอร์สำหรับการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม การตรวจสอบการไหลของการจราจร และฟังก์ชั่นอื่น ๆ ซึ่งกลายเป็นส่วนสำคัญของ Internet of Things (IoT) ในเมือง นอกจากนี้ ในพื้นที่ห่างไกลซึ่งมีระบบไฟฟ้าเข้าถึงอย่างจำกัด เช่น ทะเลทราย ภูเขา และเกาะ ประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ของแบตเตอรี่โซเดียม - ไอออนในสภาพแวดล้อมต่างๆ ทำให้ไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์พร้อมแบตเตอรี่เหล่านี้เป็นตัวเลือกในอุดมคติสำหรับการจัดหาโซลูชันระบบแสงสว่าง ซึ่งจะช่วยขยายศักยภาพของตลาดต่อไป
