Creșterea bateriilor cu ioni de sodiu într-o nouă eră a bateriilor de putere
Inaugurarea erei mașinilor electrice cu baterii de sodiu
La începutul anului 2024, primul vehicul electric cu baterie cu ioni de sodiu din lume a fost livrat oficial utilizatorilor. Noua mașină are o autonomie de până la 252 de kilometri și este echipată cu 32.140 de baterii cilindrice cu ioni de sodiu. Celula adoptă traseul tehnic al"bază de cupru ca oxid carbon dur", capacitatea monomerului este de 12Ah, densitatea de energie este mai mare de 140Wh/kg și are avantajele unei siguranțe ridicate, densitate ridicată de energie și performanță bună la temperaturi scăzute. În ultimii ani, inclusiv Ningde Times, sodium Energy și alte întreprinderi interne au accelerat, de asemenea, aspectul industriei bateriilor cu ioni de sodiu, a atins acum producția de loturi mici și evaluarea performanței, este de așteptat să deschidă primul an de dezvoltare a tramvaiului bateriei cu sodiu în 24 de ani.
Ioni de sodiu versus baterie litiu-ion
Se așteaptă ca bateriile cu ioni de sodiu să devină o altă tehnologie de baterie secundară pentru aplicații comerciale pe scară largă, datorită avantajelor lor unice. În comparație cu bateriile litiu-ion, ionii de sodiu au o capacitate mai puternică de interacțiune de solvație și o rază de stokes mai mică, ceea ce permite soluțiilor de electroliți de ioni de sodiu cu concentrație scăzută să atingă o conductivitate ionică mai mare. Deoarece sodiul și litiul aparțin aceluiași grup principal de elemente adiacente, cele două au o mare similitudine în ceea ce privește proprietățile chimice, astfel încât principiul de funcționare al bateriilor cu ioni de sodiu este similar cu cel al bateriilor cu ioni de litiu, care urmează"balansoar"mecanism. Bateria cu ioni de sodiu este compusă din electrod pozitiv, electrod negativ, diafragmă, electrolit și colector de fluid. Procesul de încărcare și descărcare este realizat prin încorporarea și demontarea reversibilă a ionului de sodiu între materialele electrodului pozitiv și negativ. În procesul de încărcare, ionii de sodiu sunt îndepărtați din electrodul pozitiv și încorporați în electrodul negativ pentru a forma un electrod pozitiv sărac în NA și un electrod negativ bogat în Na. În procesul de descărcare, ionii de sodiu sunt încorporați invers în electrodul pozitiv față de electrodul negativ pentru a obține echilibrul de încărcare și descărcare. Electronii sunt transferați în circuitul extern, menținând echilibrul de sarcină odată cu migrarea ionilor de sodiu. Datorită caracteristicilor bateriilor sodiu-ion, acestea sunt compatibile cu echipamentele de fabricare a bateriilor litiu-ion, care sunt mai puțin dificil de industrializat și au perspective largi de piață în viitor.
În ceea ce privește densitatea energiei, celula unei baterii cu ioni de sodiu este de obicei în intervalul 105-150wh/kg. Densitatea de energie a celulelor bateriei litiu-ion depășește în general 190wh/kg, iar unele sisteme ternare cu conținut ridicat de Ni depășesc chiar și 230wh/kg. Deși bateria actuală cu ioni de sodiu nu poate fi încă comparată cu bateria ternară cu litiu, dar în comparație cu bateria cu litiu fosfat de fier 120-200wh/kg și bateria cu plumb acid 35-45wh/kg, bateria cu ioni de sodiu are o anumită competitivitate . În ceea ce privește intervalul de temperatură de funcționare și siguranță, bateriile cu ioni de sodiu au avantaje evidente. Intervalul său de temperatură de funcționare este de -40℃-80℃, în timp ce domeniul de funcționare al bateriilor ternare litiu-ion este de obicei -20℃ ~ 60℃. Într-un mediu sub 0 ° C, performanța bateriilor cu litiu va fi afectată. În schimb, bateriile cu ioni de sodiu pot atinge în continuare mai mult de 80% reținere SOC la -20 ° C. În plus, datorită rezistenței interne mari a bateriilor cu ioni de sodiu, nu sunt ușor de încălzit, deci prezintă o siguranță mai mare. în ceea ce priveşte fuga termică. În ceea ce privește viteza de încărcare, bateriile cu ioni de sodiu pot fi încărcate complet în doar 10 minute, față de cel puțin 40 de minute pentru bateriile cu litiu ternar și 45 de minute pentru fosfatul de litiu și fier. În general, deși densitatea energiei nu poate concura cu bateriile litiu-ion, bateriile cu ioni de sodiu pot rezolva bine cele două puncte majore de durere ale vehiculelor actuale cu energie nouă în ceea ce privește stabilitatea la temperatură scăzută și viteza de încărcare și sunt încă una dintre opțiunile luate în considerare de către marile companii auto.
O scurtă analiză a traseului tehnic al oxidului stratificat pentru bateriile cu ioni de sodiu
Material catodic - oxid de metal de tranziție stratificat
Oxizii metalelor tranziționale stratificați cu ioni de sodiu sunt de obicei exprimați ca NaxMO2, unde M este un element de metal tranzițional, cum ar fi Mn, Ni, Cu, Fe, Co etc. Studiul arată că aranjamentul NaxMO2 poate fi împărțit în tip O și de tip P, iar diagrama sa de structură este după cum urmează. Structura stratificată a acestui oxid de metal de tranziție nu numai că oferă canale pentru încorporarea și dezintegrarea ionilor de sodiu, dar îmbunătățește și stabilitatea structurii generale prin utilizarea structurii octaedrice MO6. Prin urmare, materialul are o performanță electrochimică excelentă și este în prezent principalul electrod pozitiv pentru bateriile cu ioni de sodiu. În același timp, materialul are o corelație ridicată cu tehnologia electroliților.
Materialul catod cu oxid cupric CuFeo2 este potrivit pentru bateriile cu ioni de sodiu la temperatura camerei. Pe baza de cupru, materialul prezintă o capacitate reversibilă de 220 mAh/g, iar mecanismul său de reacție electrochimică implică în principal reacția REDOX a Cu2 /Cu . Tensiunea de lucru a CuFeo2 poate ajunge la 2,4 V și are o stabilitate bună a ciclului. Acest material are caracteristicile unui cost scăzut, performanță excelentă și prietenos cu mediul și a arătat o anumită perspectivă.
Material electrod negativ - material pe bază de carbon
Există multe tipuri de materiale anodice pentru bateriile cu ioni de sodiu, inclusiv materiale pe bază de carbon, materiale pe bază de titan, materiale aliaje și materiale organice. Dintre acestea, materialele pe bază de carbon sunt considerate cele mai promițătoare materiale candidate datorită disponibilității și costului redus. Materialele pe bază de carbon sunt împărțite în principal în două categorii: carbon cristalin și carbon amorf, carbon cristalin în principal grafit natural și grafit artificial, care sunt principalele materiale pentru electrozi negativi pentru bateriile litiu-ion. Cu toate acestea, atunci când grafitul este utilizat ca electrod negativ al bateriei cu ioni de sodiu, încorporarea ionilor de sodiu nu poate fi realizată, rezultând o capacitate specifică prea mică pentru a satisface nevoile aplicațiilor practice. Materialele de carbon amorf includ în principal carbon dur și carbon moale. Carbonul dur prezintă o capacitate de descărcare inițială ridicată, performanță bună și stabilitate structurală și are avantaje bune de performanță electrochimică și este în prezent prima alegere a materialelor cu electrozi negativi. Deși carbonul moale are un cost scăzut, activitate electrochimică ridicată și poate oferi o capacitate reversibilă mare, capacitatea sa specifică este scăzută, iar problema expansiunii în volum trebuie rezolvată. Datorită avantajelor cuprinzătoare ale resurselor abundente, costurilor reduse, diversității structurale și performanței electrochimice excelente, materialele cu carbon amorf sunt în general considerate drept unul dintre cele mai promițătoare materiale anodice pentru bateriile cu ioni de sodiu din industrie.
Carbonul dur poate fi preparat printr-o varietate de sisteme precursoare, iar diferența de precursor va afecta morfologia microscopică și gradul de defect al carbonului dur final și apoi va afecta performanța electrochimică a acestuia.
Electrolit
Pe lângă materialele electrozilor pozitivi și negativi, electrolitul este, de asemenea, un mediu de reacție indispensabil. Electrolitul bateriei cu ioni de sodiu constă în principal din trei părți: sare de sodiu, solvent și aditiv. Sarea de sodiu joacă un rol cheie în electrolit, care afectează direct performanța de încărcare-descărcare și durata de viață a bateriei. Pentru a menține funcționarea stabilă a bateriei, sarea de sodiu trebuie să aibă stabilitate electrochimică bună și nu poate avea reacții secundare cu materialul electrodului. În mod ideal, sărurile de sodiu ar trebui să se poată dizolva complet în sistemul de solvent selectat și să genereze ioni de sodiu activi electrochimic, astfel încât să poată migra liber în electrolit și să ajungă rapid la suprafața electrodului pentru reacții reversibile. În plus, sarea de sodiu de înaltă calitate ar trebui, de asemenea, să minimizeze reacțiile secundare cu alte componente ale bateriei pentru a îmbunătăți siguranța bateriei.
Perspectivă de dezvoltare viitoare
Deși din punct de vedere al costului, bateriile cu ioni de sodiu au avantaje în comparație cu bateriile cu ioni de litiu, există deficiențe evidente în densitatea energiei, iar în prezent sunt transportate în principal pe mini-vehicule mici, cu cerințe de viață reduse a bateriei și sensibilitate ridicată la costuri. Odată cu dezvoltarea explozivă a vehiculelor cu energie noi în ultimii ani, resursele de litiu-ion sunt din ce în ce mai rare și se poate prezice că tehnologia bateriilor cu ioni de sodiu va introduce o perioadă de aur de dezvoltare. Odată cu progresul continuu în materie de materiale, performanță electrochimică, siguranță și alte aspecte, industrializarea bateriilor cu ioni de sodiu se accelerează, de asemenea, pe lângă actualele vehicule mici și micro electrice, viitorul este de asemenea de așteptat să fie transportat în hibrid plug-in. vehicule, prețul vehiculului va fi redus în continuare.
