De opkomst van natrium-ionbatterijen in een nieuw tijdperk van krachtbatterijen

Het tijdperk van elektrische auto's met natriumbatterijen wordt ingeluid

Begin 2024 werd 's werelds eerste elektrische voertuig met natrium-ionbatterij officieel aan gebruikers geleverd. De nieuwe auto heeft een bereik van maximaal 252 kilometer en is uitgerust met 32.140 cilindrische natriumionbatterijen. De cel neemt de technische route van"koperbasis zoals oxide harde koolstof"De monomeercapaciteit is 12 Ah, de energiedichtheid is meer dan 140 Wh/kg en heeft de voordelen van hoge veiligheid, hoge energiedichtheid en goede prestaties bij lage temperaturen. In de afgelopen jaren hebben onder meer Ningde Times, Natrium Energy en andere binnenlandse ondernemingen ook de lay-out van de natriumionbatterij-industrie versneld, nu kleine batchproductie en prestatie-evaluatie bereikt en zal naar verwachting het eerste jaar van de ontwikkeling van natriumbatterijtram openen in 24 jaar.

Natriumion- versus lithium-ionbatterij

Er wordt verwacht dat natriumionbatterijen een secundaire batterijtechnologie zullen worden voor grootschalige commerciële toepassingen vanwege hun unieke voordelen. Vergeleken met lithium-ionbatterijen hebben natriumionen een sterker solvatatie-interactievermogen en een kleinere stookradius, waardoor natriumionelektrolytoplossingen met een lage concentratie een hogere ionische geleidbaarheid kunnen bereiken. Omdat natrium en lithium tot dezelfde hoofdgroep van aangrenzende elementen behoren, hebben de twee een grote gelijkenis wat betreft chemische eigenschappen. Het werkingsprincipe van natrium-ionbatterijen is dus vergelijkbaar met dat van lithium-ionbatterijen, die de volgende principes volgen:"schommelstoel"mechanisme. De natriumionenbatterij bestaat uit een positieve elektrode, een negatieve elektrode, een diafragma, een elektrolyt en een vloeistofcollector. Het laad- en ontlaadproces wordt gerealiseerd door omkeerbare inbedding en de-inbedding van natriumionen tussen de positieve en negatieve elektrodematerialen. Tijdens het opladen worden natriumionen verwijderd van de positieve elektrode en ingebed in de negatieve elektrode om een ​​NA-arme positieve elektrode en een Na-rijke negatieve elektrode te vormen. Tijdens het ontladingsproces worden natriumionen omgekeerd ingebed in de positieve elektrode van de negatieve elektrode om een ​​ladings- en ontladingsevenwicht te bereiken. Elektronen worden overgebracht naar het externe circuit, waardoor de ladingsbalans behouden blijft tijdens de migratie van natriumionen. Vanwege de kenmerken van natrium-ionbatterijen zijn ze compatibel met productieapparatuur voor lithium-ionbatterijen, die minder moeilijk te industrialiseren is en in de toekomst brede marktvooruitzichten biedt.

In termen van energiedichtheid ligt de cel van een natrium-ionbatterij gewoonlijk tussen de 105 en 150 Wh/kg. De energiedichtheid van lithium-ionbatterijcellen overschrijdt doorgaans de 190wh/kg, en sommige ternaire systemen met een hoog Ni-gehalte overschrijden zelfs de 230wh/kg. Hoewel de huidige natrium-ionbatterij nog niet kan worden vergeleken met de ternaire lithiumbatterij, maar vergeleken met de lithium-ijzerfosfaatbatterij 120-200wh/kg en de loodzuurbatterij 35-45wh/kg, heeft de natrium-ionbatterij een zeker concurrentievermogen . In termen van bedrijfstemperatuurbereik en veiligheid hebben natrium-ionbatterijen duidelijke voordelen. Het bereik van de bedrijfstemperatuur is -40℃-80℃, terwijl het werkingsbereik van ternaire lithium-ionbatterijen gewoonlijk -20℃ ~ 60℃ is. In een omgeving onder 0° C worden de prestaties van lithiumbatterijen beïnvloed. Daarentegen kunnen natriumionbatterijen nog steeds meer dan 80% SOC-retentie bereiken bij -20° C. Bovendien zijn ze vanwege de grote interne weerstand van natriumionbatterijen niet gemakkelijk te verwarmen, waardoor ze een hogere veiligheid vertonen. in termen van thermische runaway. Qua laadsnelheid kunnen natriumionbatterijen in slechts 10 minuten volledig worden opgeladen, vergeleken met minimaal 40 minuten voor ternaire lithiumbatterijen en 45 minuten voor lithiumijzerfosfaat. Over het geheel genomen kunnen natriumionbatterijen, hoewel de energiedichtheid niet kan concurreren met lithium-ionbatterijen, de twee belangrijkste pijnpunten van de huidige nieuwe energievoertuigen in termen van lage temperatuurstabiliteit en laadsnelheid goed oplossen, en zijn ze nog steeds een van de keuzes die door grote autobedrijven.

Een korte analyse van de technische route van gelaagd oxide voor natriumionbatterijen

Kathodemateriaal - gelaagd overgangsmetaaloxide

Natrium-ion-gelaagde overgangsmetaaloxiden worden gewoonlijk uitgedrukt als NaxMO2, waarbij M een overgangsmetaalelement is zoals Mn, Ni, Cu, Fe, Co, enz. Uit het onderzoek blijkt dat de rangschikking van NaxMO2 kan worden onderverdeeld in O-type en P-type, en het structuurdiagram is als volgt. De gelaagde structuur van dit overgangsmetaaloxide biedt niet alleen kanalen voor het inbedden en verwijderen van natriumionen, maar verbetert ook de stabiliteit van de algehele structuur door gebruik te maken van de MO6-octaëdrische structuur. Daarom heeft het materiaal uitstekende elektrochemische prestaties en is het momenteel het belangrijkste positieve elektrodemateriaal voor natriumionbatterijen. Tegelijkertijd heeft het materiaal een hoge correlatie met de elektrolyttechnologie.

Het koperoxide-kathodemateriaal CuFeo2 is geschikt voor natrium-ionbatterijen bij kamertemperatuur. Het materiaal is gebaseerd op koper en heeft een omkeerbaar vermogen van 220 mAh/g. Het elektrochemische reactiemechanisme omvat voornamelijk de REDOX-reactie van Cu2 /Cu . De werkspanning van CuFeo2 kan 2,4 V bereiken en heeft een goede cyclusstabiliteit. Dit materiaal heeft de kenmerken van lage kosten, uitstekende prestaties en milieuvriendelijkheid en heeft een bepaald vooruitzicht getoond.

Negatief elektrodemateriaal - materiaal op koolstofbasis

Er zijn veel soorten anodematerialen voor natriumionbatterijen, waaronder materialen op koolstofbasis, materialen op titaniumbasis, legeringsmaterialen en organische materialen. Onder hen worden op koolstof gebaseerde materialen beschouwd als de meest veelbelovende kandidaatmaterialen vanwege hun beschikbaarheid en lage kosten. Op koolstof gebaseerde materialen worden hoofdzakelijk onderverdeeld in twee categorieën: kristallijne koolstof en amorfe koolstof, kristallijne koolstof, voornamelijk natuurlijk grafiet, en kunstmatig grafiet, de belangrijkste negatieve elektrodematerialen voor lithium-ionbatterijen. Wanneer grafiet echter wordt gebruikt als de negatieve elektrode van de natriumionenbatterij, kan de inbedding van natriumionen niet worden bereikt, wat resulteert in een te lage specifieke capaciteit om aan de behoeften van praktische toepassingen te voldoen. Amorfe koolstofmaterialen omvatten voornamelijk harde koolstof en zachte koolstof. Harde koolstof vertoont een hoge initiële ontladingscapaciteit, goede snelheidsprestaties en structurele stabiliteit, en heeft goede elektrochemische prestatievoordelen, en is momenteel de eerste keuze voor negatieve elektrodematerialen. Hoewel zachte koolstof lage kosten heeft, een hoge elektrochemische activiteit heeft en een hoge omkeerbare capaciteit kan bieden, is de specifieke capaciteit ervan laag en moet het volume-expansieprobleem worden opgelost. Vanwege de uitgebreide voordelen van overvloedige hulpbronnen, lage kosten, structurele diversiteit en uitstekende elektrochemische prestaties, worden amorfe koolstofmaterialen algemeen beschouwd als een van de meest veelbelovende anodematerialen voor natriumionbatterijen in de industrie. 

Harde koolstof kan worden bereid met een verscheidenheid aan precursorsystemen, en het verschil in precursor zal de microscopische morfologie en de mate van defecten van de uiteindelijke harde koolstof beïnvloeden, en vervolgens de elektrochemische prestaties ervan beïnvloeden.

Elektrolyt

Naast positieve en negatieve elektrodematerialen is elektrolyt ook een onmisbaar reactiemedium. De natriumionenbatterij-elektrolyt bestaat hoofdzakelijk uit drie delen: natriumzout, oplosmiddel en additief. Natriumzout speelt een sleutelrol in de elektrolyt, die rechtstreeks van invloed is op de laad-ontlaadprestaties en de levensduur van de batterij. Om de stabiele werking van de batterij te behouden, moet het natriumzout een goede elektrochemische stabiliteit hebben en geen nevenreacties met het elektrodemateriaal veroorzaken. Idealiter zouden natriumzouten volledig moeten kunnen oplossen in het geselecteerde oplosmiddelsysteem en elektrochemisch actieve natriumionen kunnen genereren, zodat ze vrij in de elektrolyt kunnen migreren en snel het elektrodeoppervlak kunnen bereiken voor omkeerbare reacties. Bovendien moet natriumzout van hoge kwaliteit ook nevenreacties met andere batterijcomponenten minimaliseren om de veiligheid van de batterij te verbeteren.

Toekomstig ontwikkelingsperspectief

Hoewel natrium-ionbatterijen qua kosten voordelen hebben vergeleken met lithium-ionbatterijen, zijn er duidelijke tekortkomingen in de energiedichtheid, en worden ze momenteel vooral gebruikt in kleine minivoertuigen met een lage levensduur van de batterij en een hoge kostengevoeligheid. Met de explosieve ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen in de afgelopen jaren worden lithium-ion-bronnen steeds schaarser, en er kan worden voorspeld dat de natrium-ion-batterijtechnologie een gouden ontwikkelingsperiode zal inluiden. Met de voortdurende doorbraak op het gebied van materialen, elektrochemische prestaties, veiligheid en andere aspecten versnelt ook de industrialisatie van natrium-ionbatterijen. Naast de huidige kleine en micro-elektrische voertuigen wordt verwacht dat de toekomst ook in plug-in hybride zal worden gedragen. voertuigen, zal de voertuigprijs verder omlaag gaan.