Възходът на натриево-йонните батерии в новата ера на батериите
Началото на ерата на електрическите автомобили с натриева батерия
В началото на 2024 г. първото в света електрическо превозно средство с натриево-йонна батерия беше официално доставено на потребителите. Новият автомобил има пробег до 252 километра и е оборудван с 32 140 натриево-йонни цилиндрични батерии. Клетката приема техническия път на"медна основа като оксид твърд въглерод", капацитетът на мономера е 12Ah, енергийната плътност е повече от 140Wh/килограма и има предимствата на висока безопасност, висока енергийна плътност и добра производителност при ниски температури. През последните години, включително Ningde пъти, натрий Енергия и други местни предприятия също ускориха оформлението на индустрията за натриеви йонни батерии, сега постигнаха производство на малки партиди и оценка на производителността, очаква се да отвори първата година от развитието на трамвай с натриеви батерии в 24 години.
Натриево-йонна срещу литиево-йонна батерия
Очаква се натриево-йонните батерии да станат друга вторична технология за батерии за широкомащабни търговски приложения поради техните уникални предимства. В сравнение с литиево-йонните батерии, натриевите йони имат по-силен капацитет за взаимодействие на солватация и по-малък радиус на Стокс, което позволява на електролитни разтвори с натриеви йони с ниска концентрация да постигнат по-висока йонна проводимост. Тъй като натрият и литият принадлежат към една и съща основна група от съседни елементи, двете имат голямо сходство в химичните свойства, така че принципът на работа на натриево-йонните батерии е подобен на този на литиево-йонните батерии, които следват"люлеещ се стол"механизъм. Натриево-йонната батерия се състои от положителен електрод, отрицателен електрод, диафрагма, електролит и колектор за течност. Процесът на зареждане и разреждане се осъществява чрез обратимо вграждане и изваждане на натриев йон между положителните и отрицателните електродни материали. В процеса на зареждане, натриевите йони се отстраняват от положителния електрод и се вграждат в отрицателния електрод, за да образуват беден на NA положителен електрод и богат на Na отрицателен електрод. В процеса на разреждане натриевите йони се вграждат обратно в положителния електрод от отрицателния електрод, за да се постигне баланс на заряда и разряда. Електроните се прехвърлят във външната верига, поддържайки баланса на заряда с миграцията на натриевите йони. Поради характеристиките на натриево-йонните батерии, те са съвместими с оборудването за производство на литиево-йонни батерии, което е по-малко трудно за индустриализация и има широки пазарни перспективи в бъдеще.
По отношение на енергийната плътност клетката на натриево-йонната батерия обикновено е в диапазона 105-150wh/килограма. Енергийната плътност на литиево-йонните акумулаторни клетки обикновено надвишава 190wh/килограма, а някои троични системи с високо съдържание на Ni дори надвишават 230wh/килограма. Въпреки че текущата натриево-йонна батерия все още не може да се сравни с тройната литиева батерия, но в сравнение с литиево-желязната фосфатна батерия 120-200wh/килограма и оловно-киселинната батерия 35-45wh/килограма, натриево-йонната батерия има известна конкурентоспособност . По отношение на работния температурен диапазон и безопасност, натриево-йонните батерии имат очевидни предимства. Неговият работен температурен диапазон е -40℃-80℃, докато работният диапазон на тройните литиево-йонни батерии обикновено е -20℃ ~ 60℃. В среда под 0 ° C, работата на литиевите батерии ще бъде засегната. За разлика от това, натриево-йонните батерии все още могат да постигнат повече от 80% задържане на SOC при -20 ° C. В допълнение, поради голямото вътрешно съпротивление на натриево-йонните батерии, те не са лесни за нагряване, така че показват по-висока безопасност по отношение на термичното бягане. По отношение на скоростта на зареждане, натриево-йонните батерии могат да бъдат напълно заредени само за 10 минути, в сравнение с поне 40 минути за тройни литиеви батерии и 45 минути за литиево-железен фосфат. Като цяло, въпреки че енергийната плътност не може да се конкурира с литиево-йонните батерии, натриево-йонните батерии могат добре да разрешат двете основни болни точки на настоящите нови енергийни превозни средства по отношение на стабилност при ниска температура и скорост на зареждане и все още са един от изборите, разглеждани от големи автомобилни компании.
Кратък анализ на техническия път на слоест оксид за натриево-йонни батерии
Материал на катода - слоест оксид на преходен метал
Наслоените с натриеви йони преходни метални оксиди обикновено се изразяват като NaxMO2, където M е елемент от преходен метал като Мн, Ni, Cu, Fe, Co и др. Проучването показва, че подреждането на NaxMO2 може да бъде разделено на O-тип и P-тип и неговата структурна диаграма е както следва. Слоестата структура на този оксид на преходен метал не само осигурява канали за вграждане и изваждане на натриеви йони, но също така подобрява стабилността на цялостната структура чрез използване на октаедричната структура MO6. Поради това материалът има отлична електрохимична производителност и в момента е основният положителен електроден материал за натриево-йонни батерии. В същото време материалът има висока корелация с електролитната технология.
Катодният материал от меден оксид CuFeo2 е подходящ за натриево-йонни батерии при стайна температура. Базиран на мед, материалът показва обратим капацитет от 220 mAh/g, а неговият механизъм на електрохимична реакция включва основно РЕДОКС реакцията на Cu2 /Cu . Работното напрежение на CuFeo2 може да достигне 2,4 V и има добра стабилност на цикъла. Този материал има характеристиките на ниска цена, отлична производителност и екологичност и е показал определена перспектива.
Материал на отрицателния електрод - материал на основата на въглерод
Има много видове анодни материали за натриево-йонни батерии, включително материали на основата на въглерод, материали на базата на титан, материали от сплави и органични материали. Сред тях въглеродните материали се считат за най-обещаващите кандидат-материали поради тяхната наличност и ниска цена. Въглеродните материали се разделят основно на две категории: кристален въглерод и аморфен въглерод, кристален въглерод, основно естествен графит и изкуствен графит, които са основните материали за отрицателни електроди за литиево-йонни батерии. Въпреки това, когато графитът се използва като отрицателен електрод на натриево-йонната батерия, не може да се постигне вграждане на натриеви йони, което води до твърде нисък специфичен капацитет, за да отговори на нуждите на практическите приложения. Аморфните въглеродни материали включват главно твърд въглерод и мек въглерод. Твърдият въглерод показва висок първоначален капацитет на разреждане, добра производителност и структурна стабилност и има добри предимства в електрохимичната производителност и в момента е първият избор на материали за отрицателни електроди. Въпреки че мекият въглерод има ниска цена, висока електрохимична активност и може да осигури висок обратим капацитет, неговият специфичен капацитет е нисък и проблемът с разширяването на обема трябва да бъде решен. Поради всеобхватните предимства на изобилие от ресурси, ниска цена, структурно разнообразие и отлични електрохимични характеристики, аморфните въглеродни материали обикновено се считат за един от най-обещаващите анодни материали за натриево-йонни батерии в индустрията.
Твърдият въглерод може да бъде получен от различни прекурсорни системи и разликата в прекурсора ще повлияе на микроскопичната морфология и степента на дефект на крайния твърд въглерод и след това ще повлияе на неговата електрохимична ефективност.
Електролит
В допълнение към материалите за положителни и отрицателни електроди, електролитът също е незаменима реакционна среда. Електролитът на натриево-йонната батерия се състои главно от три части: натриева сол, разтворител и добавка. Натриевата сол играе ключова роля в електролита, което пряко влияе върху производителността на зареждане-разреждане и живота на батерията. За да се поддържа стабилна работа на батерията, натриевата сол трябва да има добра електрохимична стабилност и не може да има странични реакции с материала на електрода. В идеалния случай натриевите соли трябва да могат да се разтварят напълно в избраната система от разтворители и да генерират електрохимично активни натриеви йони, така че да могат да мигрират свободно в електролита и бързо да достигнат повърхността на електрода за обратими реакции. В допълнение, висококачествената натриева сол също трябва да сведе до минимум страничните реакции с други компоненти на батерията, за да подобри безопасността на батерията.
Перспектива за бъдещо развитие
Въпреки че по отношение на цената, натриево-йонните батерии имат предимства в сравнение с литиево-йонните батерии, има очевидни недостатъци в енергийната плътност и в момента те се превозват главно на малки мини превозни средства с ниски изисквания за живот на батерията и висока чувствителност към разходите. С експлозивното развитие на нови енергийни превозни средства през последните години, литиево-йонните ресурси са все по-оскъдни и може да се предвиди, че технологията за натриево-йонни батерии ще постави началото на златен период на развитие. С непрекъснатия пробив в материалите, електрохимичните характеристики, безопасността и други аспекти, индустриализацията на натриево-йонните батерии също се ускорява, в допълнение към настоящите малки и микро електрически превозни средства, бъдещето се очаква да бъде пренесено и в щепсел-в хибриди превозни средства, цената на превозното средство ще бъде допълнително намалена.
