Рост натрий-ионных аккумуляторов в новую эру аккумуляторов
Наступает эра электромобилей с натриевыми аккумуляторами
В начале 2024 года первый в мире электромобиль с натрий-ионной батареей был официально доставлен пользователям. Новый автомобиль имеет запас хода до 252 километров и оснащен 32 140 натрий-ионными цилиндрическими батареями. Ячейка принимает технический маршрут"медная основа, такая как оксид твердый углерод", емкость мономера составляет 12 Ач, плотность энергии более 140 Втч/кг, и он обладает преимуществами высокой безопасности, высокой плотности энергии и хороших характеристик при низких температурах. В последние годы, в том числе Нингде Время, компания натрия Энергия и другие отечественные предприятия также ускорили создание промышленности по производству натрий-ионных аккумуляторов, теперь достигли мелкосерийного производства и оценки производительности, как ожидается, откроется первый год разработки трамвая натриевых батарей в 24 года.
Натрий-ионный и литий-ионный аккумулятор
Ожидается, что натрий-ионные батареи станут еще одной технологией вторичной батареи для крупномасштабного коммерческого применения из-за их уникальных преимуществ. По сравнению с литий-ионными батареями ионы натрия обладают более высокой способностью к сольватационному взаимодействию и меньшим стоксовским радиусом, что позволяет растворам электролитов с низкой концентрацией ионов натрия достигать более высокой ионной проводимости. Поскольку натрий и литий принадлежат к одной и той же основной группе соседних элементов, они имеют большое сходство химических свойств, поэтому принцип работы натрий-ионных батарей аналогичен принципу работы литий-ионных батарей, которые следуют"Кресло-качалка"механизм. Натрий-ионный аккумулятор состоит из положительного электрода, отрицательного электрода, диафрагмы, электролита и коллектора жидкости. Процесс заряда и разряда реализуется путем обратимого внедрения и удаления иона натрия между материалами положительного и отрицательного электрода. В процессе зарядки ионы натрия удаляются из положительного электрода и внедряются в отрицательный электрод, образуя положительный электрод с низким содержанием NA и отрицательный электрод с высоким содержанием На. В процессе разряда ионы натрия встраиваются в положительный электрод в обратном направлении из отрицательного электрода для достижения баланса заряда и разряда. Электроны переносятся во внешнюю цепь, поддерживая баланс зарядов за счет миграции ионов натрия. Благодаря характеристикам натрий-ионных аккумуляторов они совместимы с оборудованием для производства литий-ионных аккумуляторов, которое менее сложно в индустриализации и имеет широкие рыночные перспективы в будущем.
С точки зрения плотности энергии элемент натрий-ионной батареи обычно находится в диапазоне 105–150 Втч/кг. Плотность энергии литий-ионных аккумуляторных элементов обычно превышает 190 Втч/кг, а в некоторых тройных системах с высоким содержанием Ни она даже превышает 230 Втч/кг. Хотя нынешнюю натрий-ионную батарею пока нельзя сравнивать с тройной литиевой батареей, но по сравнению с литий-железо-фосфатной батареей 120-200 Втч/кг и свинцово-кислотной батареей 35-45 Втч/кг, натрий-ионная батарея имеет определенную конкурентоспособность. . С точки зрения диапазона рабочих температур и безопасности натрий-ионные аккумуляторы имеют очевидные преимущества. Диапазон рабочих температур составляет -40℃-80℃, тогда как рабочий диапазон троичных литий-ионных батарей обычно составляет -20℃ ~ 60℃. В окружающей среде ниже 0 ° C производительность литиевых батарей будет снижена. Напротив, натрий-ионные батареи все еще могут сохранять более 80% СОЦ при температуре -20 % u00b0 C. Кроме того, из-за большого внутреннего сопротивления натрий-ионных батарей их нелегко нагревать, поэтому они демонстрируют более высокую безопасность. с точки зрения теплового разгона. Что касается скорости зарядки, натрий-ионные батареи можно полностью зарядить всего за 10 минут по сравнению с 40 минутами для тройных литиевых батарей и 45 минутами для литий-железо-фосфатных батарей. В целом, хотя плотность энергии не может конкурировать с литий-ионными батареями, натрий-ионные батареи вполне могут решить две основные проблемы современных транспортных средств на новой энергии с точки зрения устойчивости к низким температурам и скорости зарядки, и по-прежнему являются одним из вариантов, рассматриваемых крупные автомобильные компании.
Краткий анализ технического маршрута получения слоистого оксида для натрий-ионных аккумуляторов
Материал катода – слоистый оксид переходного металла.
Слоистые оксиды переходных металлов с ионами натрия обычно выражаются как НаксМО2, где M — элемент переходного металла, такой как Мин., Ни, Cu, Фе, Ко и т. д. Исследование показывает, что расположение НаксМО2 можно разделить на O-тип и P-типа, и его структурная схема выглядит следующим образом. Слоистая структура этого оксида переходного металла не только обеспечивает каналы для внедрения и удаления ионов натрия, но также повышает стабильность всей структуры за счет использования октаэдрической структуры МО6. Таким образом, этот материал обладает превосходными электрохимическими характеристиками и в настоящее время является основным материалом положительных электродов для ионно-натриевых батарей. В то же время материал имеет высокую корреляцию с технологией электролита.
Катодный материал из оксида меди CuFeo2 подходит для натрий-ионных батарей при комнатной температуре. Материал на основе меди обладает обратимой емкостью 220 мАч/г, а механизм его электрохимической реакции в основном включает РЕДОКС-реакцию Cu2 /Cu . Рабочее напряжение CuFeo2 может достигать 2,4 В и имеет хорошую стабильность цикла. Этот материал обладает характеристиками низкой стоимости, отличными эксплуатационными характеристиками и экологичностью и показал определенную перспективность.
Материал отрицательного электрода – материал на основе углерода.
Существует множество видов анодных материалов для ионно-натриевых батарей, включая материалы на основе углерода, материалы на основе титана, сплавы и органические материалы. Среди них материалы на основе углерода считаются наиболее перспективными кандидатами из-за их доступности и низкой стоимости. Материалы на основе углерода в основном делятся на две категории: кристаллический углерод и аморфный углерод, кристаллический углерод, в основном природный графит и искусственный графит, которые являются основными материалами отрицательных электродов для литий-ионных батарей. Однако, когда графит используется в качестве отрицательного электрода натрий-ионной батареи, внедрение ионов натрия не может быть достигнуто, что приводит к слишком низкой удельной емкости для удовлетворения потребностей практического применения. Аморфные углеродные материалы в основном включают твердый углерод и мягкий углерод. Твердый углерод демонстрирует высокую начальную разрядную емкость, хорошие характеристики скорости и структурную стабильность, а также имеет хорошие электрохимические преимущества и в настоящее время является первым выбором материалов для отрицательных электродов. Хотя мягкий углерод имеет низкую стоимость, высокую электрохимическую активность и может обеспечить высокую обратимую емкость, его удельная емкость низка, и необходимо решить проблему объемного расширения. Благодаря комплексным преимуществам богатых ресурсов, низкой стоимости, структурному разнообразию и отличным электрохимическим характеристикам аморфные углеродные материалы обычно считаются одними из наиболее перспективных анодных материалов для натрий-ионных батарей в отрасли.
Твердый углерод можно получить с помощью различных систем-прекурсоров, и разница в прекурсоре повлияет на микроскопическую морфологию и степень дефектности конечного твердого углерода, а затем повлияет на его электрохимические характеристики.
Электролит
Помимо материалов положительных и отрицательных электродов, незаменимой реакционной средой также является электролит. Электролит ионно-натриевого аккумулятора в основном состоит из трех частей: натриевой соли, растворителя и добавки. Натриевая соль играет ключевую роль в электролите, что напрямую влияет на характеристики заряда-разряда и срок службы аккумулятора. Для поддержания стабильной работы аккумулятора соль натрия должна обладать хорошей электрохимической стабильностью и не вступать в побочные реакции с материалом электрода. В идеале соли натрия должны быть способны полностью растворяться в выбранной системе растворителей и генерировать электрохимически активные ионы натрия, чтобы они могли свободно мигрировать в электролите и быстро достигать поверхности электрода для обратимых реакций. Кроме того, высококачественная натриевая соль также должна минимизировать побочные реакции с другими компонентами батареи, чтобы повысить безопасность батареи.
Перспективы дальнейшего развития
Хотя с точки зрения стоимости натрий-ионные батареи имеют преимущества по сравнению с литий-ионными, существуют очевидные недостатки в плотности энергии, и в настоящее время они в основном используются на небольших мини-автомобилях с низкими требованиями к сроку службы батареи и высокой ценовой чувствительностью. В связи с бурным развитием новых энергетических транспортных средств в последние годы ресурсы литий-ионных аккумуляторов становятся все более скудными, и можно предсказать, что технология натрий-ионных аккумуляторов откроет золотой период развития. Благодаря постоянному прорыву в материалах, электрохимических характеристиках, безопасности и других аспектах индустриализация натрий-ионных аккумуляторов также ускоряется. Ожидается, что в дополнение к нынешним малым и микроэлектромобилям будущее также будет за подключаемыми гибридами. транспортных средств, цена на транспортное средство будет дополнительно снижена.
