L’ascesa delle batterie agli ioni di sodio in una nuova era delle batterie elettriche
Inauguriamo l’era delle auto elettriche con batterie al sodio
All'inizio del 2024, il primo veicolo elettrico al mondo con batteria agli ioni di sodio è stato ufficialmente consegnato agli utenti. La nuova vettura ha un'autonomia fino a 252 chilometri ed è dotata di 32.140 batterie cilindriche agli ioni di sodio. La cellula adotta il percorso tecnico di"base di rame come ossido carbonio duro", la capacità del monomero è di 12 Ah, la densità di energia è superiore a 140 Wh/kg e presenta i vantaggi di elevata sicurezza, elevata densità di energia e buone prestazioni a bassa temperatura. Negli ultimi anni, tra cui Ningde Times, Sodium Energy e altre imprese nazionali hanno anche accelerato il layout dell'industria delle batterie agli ioni di sodio, hanno ora raggiunto una produzione in piccoli lotti e una valutazione delle prestazioni, si prevede l'apertura del primo anno di sviluppo del tram con batterie al sodio in 24 anni.
Batteria agli ioni di sodio e agli ioni di litio
Si prevede che le batterie agli ioni di sodio diventeranno un’altra tecnologia di batterie secondarie per applicazioni commerciali su larga scala grazie ai loro vantaggi unici. Rispetto alle batterie agli ioni di litio, gli ioni di sodio hanno una maggiore capacità di interazione di solvatazione e un raggio di stoke più piccolo, che consente alle soluzioni elettrolitiche di ioni di sodio a bassa concentrazione di ottenere una maggiore conduttività ionica. Poiché il sodio e il litio appartengono allo stesso gruppo principale di elementi adiacenti, i due hanno un'elevata somiglianza nelle proprietà chimiche, quindi il principio di funzionamento delle batterie agli ioni di sodio è simile a quello delle batterie agli ioni di litio, che seguono lo"sedia a dondolo"meccanismo. La batteria agli ioni di sodio è composta da elettrodo positivo, elettrodo negativo, diaframma, elettrolita e collettore di fluido. Il processo di carica e scarica è realizzato mediante l'incorporamento e il de-incorporamento reversibile dello ione sodio tra i materiali dell'elettrodo positivo e negativo. Nel processo di carica, gli ioni sodio vengono rimossi dall'elettrodo positivo e incorporati nell'elettrodo negativo per formare un elettrodo positivo povero di NA e un elettrodo negativo ricco di Na. Nel processo di scarica, gli ioni sodio vengono incorporati in modo inverso nell'elettrodo positivo dall'elettrodo negativo per ottenere l'equilibrio di carica e scarica. Gli elettroni vengono trasferiti nel circuito esterno, mantenendo l'equilibrio di carica con la migrazione degli ioni sodio. A causa delle caratteristiche delle batterie agli ioni di sodio, sono compatibili con le apparecchiature di produzione di batterie agli ioni di litio, che sono meno difficili da industrializzare e hanno ampie prospettive di mercato in futuro.
In termini di densità energetica, la cella di una batteria agli ioni di sodio è solitamente compresa tra 105 e 150 Wh/kg. La densità energetica delle celle delle batterie agli ioni di litio supera generalmente i 190 Wh/kg e alcuni sistemi ternari con un elevato contenuto di Ni superano addirittura i 230 Wh/kg. Sebbene l'attuale batteria agli ioni di sodio non possa ancora essere paragonata alla batteria al litio ternaria, ma rispetto alla batteria al litio ferro fosfato da 120-200 Wh/kg e alla batteria al piombo da 35-45 Wh/kg, la batteria agli ioni di sodio ha una certa competitività . In termini di intervallo di temperatura operativa e sicurezza, le batterie agli ioni di sodio presentano evidenti vantaggi. Il suo intervallo di temperatura operativa è -40℃-80℃, mentre l'intervallo operativo delle batterie ternarie agli ioni di litio è solitamente -20℃ ~ 60℃. In un ambiente inferiore a 0° C, le prestazioni delle batterie al litio saranno influenzate. Al contrario, le batterie agli ioni di sodio possono ancora raggiungere una ritenzione di SOC superiore all'80% a -20° C. Inoltre, a causa della grande resistenza interna delle batterie agli ioni di sodio, non sono facili da riscaldare, quindi mostrano una maggiore sicurezza in termini di fuga termica. In termini di velocità di ricarica, le batterie agli ioni di sodio possono essere caricate completamente in soli 10 minuti, rispetto ai almeno 40 minuti delle batterie al litio ternarie e ai 45 minuti delle batterie al litio ferro fosfato. Nel complesso, sebbene la densità energetica non possa competere con le batterie agli ioni di litio, le batterie agli ioni di sodio possono risolvere i due principali punti critici degli attuali veicoli a nuova energia in termini di stabilità alle basse temperature e velocità di ricarica, e sono ancora una delle scelte considerate dagli esperti. grandi case automobilistiche.
Una breve analisi del percorso tecnico dell'ossido stratificato per le batterie agli ioni di sodio
Materiale catodico: ossido di metallo di transizione stratificato
Gli ossidi di metalli di transizione stratificati con ioni di sodio sono solitamente espressi come NaxMO2, dove M è un elemento di metallo di transizione come Mn, Ni, Cu, Fe, Co, ecc. Lo studio mostra che la disposizione di NaxMO2 può essere divisa in tipo O e Tipo P e il suo diagramma di struttura è il seguente. La struttura a strati di questo ossido di metallo di transizione non solo fornisce canali per l'incorporamento e il de-incorporamento degli ioni sodio, ma migliora anche la stabilità della struttura complessiva utilizzando la struttura ottaedrica MO6. Pertanto, il materiale ha eccellenti prestazioni elettrochimiche ed è attualmente il principale materiale per elettrodi positivi per le batterie agli ioni di sodio. Allo stesso tempo, il materiale ha un'elevata correlazione con la tecnologia dell'elettrolita.
Il materiale catodico all'ossido rameico CuFeo2 è adatto per batterie agli ioni di sodio a temperatura ambiente. A base di rame, il materiale presenta una capacità reversibile di 220 mAh/g e il suo meccanismo di reazione elettrochimica coinvolge principalmente la reazione REDOX di Cu2 /Cu . La tensione di lavoro di CuFeo2 può raggiungere 2,4 V e ha una buona stabilità del ciclo. Questo materiale ha le caratteristiche di basso costo, prestazioni eccellenti e rispetto dell'ambiente e ha mostrato una certa prospettiva.
Materiale dell'elettrodo negativo: materiale a base di carbonio
Esistono molti tipi di materiali anodici per le batterie agli ioni di sodio, inclusi materiali a base di carbonio, materiali a base di titanio, materiali in lega e materiali organici. Tra questi, i materiali a base di carbonio sono considerati i materiali candidati più promettenti grazie alla loro disponibilità e al basso costo. I materiali a base di carbonio sono principalmente suddivisi in due categorie: carbonio cristallino e carbonio amorfo, carbonio cristallino principalmente grafite naturale e grafite artificiale, che sono i principali materiali dell'elettrodo negativo per le batterie agli ioni di litio. Tuttavia, quando si utilizza la grafite come elettrodo negativo della batteria agli ioni di sodio, non è possibile ottenere l'incorporamento degli ioni di sodio, con conseguente capacità specifica troppo bassa per soddisfare le esigenze delle applicazioni pratiche. I materiali di carbonio amorfo includono principalmente carbonio duro e carbonio morbido. Il carbonio duro mostra un'elevata capacità di scarica iniziale, buone prestazioni di velocità e stabilità strutturale e presenta buoni vantaggi in termini di prestazioni elettrochimiche ed è attualmente la prima scelta di materiali per elettrodi negativi. Sebbene il carbonio tenero abbia un basso costo, un'elevata attività elettrochimica e possa fornire un'elevata capacità reversibile, la sua capacità specifica è bassa e il problema dell'espansione del volume deve essere risolto. Grazie ai vantaggi globali di risorse abbondanti, basso costo, diversità strutturale ed eccellenti prestazioni elettrochimiche, i materiali di carbonio amorfo sono generalmente considerati uno dei materiali anodici più promettenti per le batterie agli ioni di sodio nel settore.
Il carbonio duro può essere preparato mediante una varietà di sistemi precursori e la differenza del precursore influenzerà la morfologia microscopica e il grado di difetto del carbonio duro finale, quindi influenzerà le sue prestazioni elettrochimiche.
Elettrolita
Oltre ai materiali degli elettrodi positivi e negativi, anche l'elettrolita è un mezzo di reazione indispensabile. L'elettrolita della batteria agli ioni di sodio è costituito principalmente da tre parti: sale di sodio, solvente e additivo. Il sale di sodio svolge un ruolo chiave nell'elettrolito, che influisce direttamente sulle prestazioni di carica-scarica e sulla durata della batteria. Per mantenere il funzionamento stabile della batteria, il sale di sodio deve avere una buona stabilità elettrochimica e non può avere reazioni collaterali con il materiale dell'elettrodo. Idealmente, i sali di sodio dovrebbero essere in grado di dissolversi completamente nel sistema solvente selezionato e generare ioni di sodio elettrochimicamente attivi, in modo che possano migrare liberamente nell'elettrolita e raggiungere rapidamente la superficie dell'elettrodo per reazioni reversibili. Inoltre, il sale di sodio di alta qualità dovrebbe anche ridurre al minimo le reazioni collaterali con altri componenti della batteria per migliorare la sicurezza della batteria.
Prospettiva di sviluppo futuro
Sebbene in termini di costi, le batterie agli ioni di sodio presentino vantaggi rispetto alle batterie agli ioni di litio, ci sono evidenti carenze nella densità di energia e attualmente vengono trasportate principalmente su piccoli mini-veicoli con requisiti di bassa durata della batteria ed elevata sensibilità ai costi. Con lo sviluppo esplosivo di veicoli a nuova energia negli ultimi anni, le risorse di ioni di litio sono sempre più scarse e si può prevedere che la tecnologia delle batterie agli ioni di sodio introdurrà un periodo d’oro di sviluppo. Con il continuo progresso in termini di materiali, prestazioni elettrochimiche, sicurezza e altri aspetti, anche l'industrializzazione delle batterie agli ioni di sodio sta accelerando, oltre agli attuali veicoli piccoli e microelettrici, il futuro dovrebbe essere portato anche in ibridi plug-in veicoli, il prezzo del veicolo verrà ulteriormente abbassato.
