Φόντο

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως ως επαναφορτιζόμενες μπαταρίες από τη δεκαετία του 1990 λόγω της υψηλής αναστρέψιμης χωρητικότητάς τους και της σταθερότητας του κύκλου. Με τη σημαντική αύξηση της τιμής του λιθίου και την αυξανόμενη ζήτηση για λίθιο και άλλα βασικά συστατικά των μπαταριών ιόντων λιθίου, η αυξανόμενη έλλειψη πρώτων υλών για μπαταρίες λιθίου μας αναγκάζει να εξερευνήσουμε νέα και φθηνότερα ηλεκτροχημικά συστήματα που βασίζονται σε υπάρχοντα άφθονα στοιχεία . Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου χαμηλού κόστους είναι η καλύτερη επιλογή. Η μπαταρία ιόντων νατρίου ανακαλύφθηκε σχεδόν μαζί με την μπαταρία ιόντων λιθίου, αλλά λόγω της μεγάλης ακτίνας ιόντων και της χαμηλής χωρητικότητάς της, οι άνθρωποι είναι περισσότερο διατεθειμένοι να μελετήσουν τον ηλεκτρισμό λιθίου και η έρευνα για την μπαταρία ιόντων νατρίου σχεδόν σταμάτησε. Με την ταχεία ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων και της βιομηχανίας αποθήκευσης ενέργειας τα τελευταία χρόνια, η μπαταρία ιόντων νατρίου, η οποία έχει προταθεί ταυτόχρονα με την μπαταρία ιόντων λιθίου, έχει προσελκύσει ξανά κόσμο'προσοχή.

Το λίθιο, το νάτριο και το κάλιο είναι όλα αλκαλιμέταλλα στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Έχουν παρόμοιες φυσικές και χημικές ιδιότητες και θεωρητικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δευτερεύοντα υλικά μπαταρίας. Οι πόροι νατρίου είναι πολύ πλούσιοι, ευρέως κατανεμημένοι στον φλοιό της Γης και είναι εύκολο να εξαχθούν. Ως υποκατάστατο του λιθίου, το νάτριο έχει δοθεί όλο και μεγαλύτερη προσοχή στον τομέα της μπαταρίας. Η μπαταρίακατασκευαστήςsσκαρφάλωμανα ξεκινήσει την τεχνολογική διαδρομή της μπαταρίας ιόντων νατρίου.Κατευθυντήριες Γνώμες για την Επιτάχυνση της Ανάπτυξης Αποθήκευσης Νέας Ενέργειας, Σχέδιο Επιστημονικής και Τεχνολογικής Καινοτομίας στον Ενεργειακό Τομέα κατά τη 14η Περίοδο του Πενταετούς Σχεδίου, καιΣχέδιο Εφαρμογής Ανάπτυξης Νέας Αποθήκευσης Ενέργειας κατά την 14η πενταετή περίοδοπου εκδόθηκαν από την Εθνική Επιτροπή Ανάπτυξης και Μεταρρυθμίσεων και την Εθνική Διοίκηση Ενέργειας ανέφεραν την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας υψηλής απόδοσης, όπως οι μπαταρίες ιόντων νατρίου. Το Υπουργείο Βιομηχανίας και Πληροφορικής (MIIT) έχει επίσης προωθήσει νέες μπαταρίες, όπως μπαταρίες ιόντων νατρίου, ως έρμα για την ανάπτυξη της νέας βιομηχανίας ενέργειας. Τα βιομηχανικά πρότυπα για μπαταρίες ιόντων νατρίου βρίσκονται επίσης στα σκαριά. Αναμένεται ότι καθώς η βιομηχανία αυξάνει τις επενδύσεις, η τεχνολογία ωριμάζει και η βιομηχανική αλυσίδα βελτιώνεται σταδιακά, η μπαταρία ιόντων νατρίου με υψηλή απόδοση κόστους αναμένεται να καταλάβει μέρος της αγοράς μπαταριών ιόντων λιθίου.

Μπαταρία ιόντων νατρίου έναντι μπαταρίας ιόντων λιθίου

• Το αρνητικό ηλεκτρόδιο άνθρακα της μπαταρίας ιόντων νατρίου έχει χαμηλότερο κόστος και μεγαλύτερο χώρο τροποποίησης από αυτό του γραφίτη.
• Το φύλλο αλουμινίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συλλέκτης ρεύματος για το θετικό και αρνητικό ηλεκτρόδιο των μπαταριών ιόντων νατρίου. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν χαμηλό αρνητικό δυναμικό και πρέπει να χρησιμοποιούν φύλλο χαλκού που δεν έχει διαβρωθεί. Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου, από την άλλη πλευρά, έχουν υψηλό αρνητικό δυναμικό, επομένως δεν κάνουν κράμα με νάτριο. Το φύλλο αλουμινίου είναι χαμηλότερο σε βάρος και κόστος από το φύλλο χαλκού.
• Στον ηλεκτρολύτη, η διαλυτότητα του Na⁺ είναι περίπου 30% χαμηλότερο από αυτό του Li⁺. Ο ρυθμός διάλυσης είναι υψηλός και η αντίσταση μεταφοράς φορτίου στη διεπαφή ηλεκτροδίου – ηλεκτρολύτη είναι μικρή, γεγονός που παρέχει καλύτερη δυναμική ηλεκτροδίων. Επομένως, ο ρυθμός εκφόρτισης του φορτίου ιόντων νατρίου είναι υψηλός σε υψηλή θερμοκρασία και χαμηλή θερμοκρασία και η απόδοση χαμηλής θερμοκρασίας είναι εξαιρετική και μπορεί να φορτιστεί γρήγορα.
• Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου έχουν μεγαλύτερη επιλογή υλικών θετικών ηλεκτροδίων. Σχεδόν όλα τα μεταλλικά στοιχεία μετάπτωσης στην πρώτη σειρά του περιοδικού πίνακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μπαταρίες ιόντων νατρίου. Αυτό οφείλεται στη μεγάλη διαφορά μεγέθους μεταξύ του Na⁺ (ακτίνα 0,102 nm) και ιόντα μετάλλων μετάπτωσης (ακτίνα 0,05-0,07 nm), που ευνοεί τον διαχωρισμό τους.
• Η εσωτερική αντίσταση μιας μπαταρίας ιόντων νατρίου είναι μεγαλύτερη από αυτή μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου. Στην περίπτωση βραχυκυκλώματος, η στιγμιαία θερμότητα είναι μικρότερη, η αύξηση της θερμοκρασίας είναι πιο αργή και η θερμοκρασία θερμικής εκκένωσης είναι υψηλότερη από αυτή μιας μπαταρίας λιθίου, επομένως μια μπαταρία ιόντων νατρίου είναι ασφαλέστερη.
• Η μεγάλη ακτίνα ιόντων νατρίου μπορεί να οδηγήσει σε ρήξη υλικού όταν αφαιρεθεί από το υλικό του ηλεκτροδίου, επηρεάζοντας έτσι τη συνολική κινητική απόδοση της μπαταρίας και την ακεραιότητα του ηλεκτροδίου.
• Το νάτριο έχει πολύ υψηλότερο τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου (0,33 V υψηλότερο από το λίθιο), με αποτέλεσμα χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και δυσκολεύοντας τον ανταγωνισμό με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου στον τομέα της ενέργειας.

Τελευταία ερευνητική πρόοδος

Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα για τις μπαταρίες ιόντων νατρίου περιλαμβάνει προηγμένο υλικό καθόδου χωρίς κοβάλτιο για μπαταρίες ιόντων νατρίου, πολυανιονικό θειικό χαμηλού κόστους για το θετικό ηλεκτρόδιο μπαταριών ιόντων νατρίου, ενώσεις νανο-pb που χρησιμοποιούνται στο θετικό ηλεκτρόδιο του νατρίου -μπαταρίες ιόντων, βασική έρευνα για οργανικά υλικά ανόδου για μπαταρίες ιόντων νατρίου σε πιθανές εμπορικές εφαρμογές, οξείδια μετάλλων και σουλφίδια με βάση τον κασσίτερο που χρησιμοποιούνται ως υλικά ανόδου για μπαταρίες ιόντων νατρίου, Νανοτεχνία προηγμένων υλικών άνθρακα σε μπαταρίες ιόντων νατρίου και εφαρμογή προηγμένου in situ χαρακτηρισμού στη μελέτη μπαταριών ιόντων νατρίου. Γενικά, εξακολουθεί να είναι ένα hotspot έρευνας για την απόκτηση υλικών θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων υψηλής απόδοσης από τις πτυχές της βελτιστοποίησης των μέσων τροποποίησης, της βελτίωσης των μεθόδων προετοιμασίας και της εξερεύνησης του μηχανισμού αποθήκευσης νατρίου για τη βελτίωση της συνολικής ανταγωνιστικότητας των μπαταριών ιόντων νατρίου.