مقدمة تقنية: بطارية أيون الصوديوم في الماضي والحاضر
مفاهيم أساسية وخلفية تاريخية: "الشقيق التوأم" لبطاريات الليثيوم
في السنوات الأخيرة ، أصبح تطوير الطاقة النظيفة إجماعًا لمعظم دول العالم. بل إن بلدي قد طرح الهدف الكبير المتمثل في "بلوغ ذروة الكربون وحياد الكربون". تم تطوير تقنيات توليد الطاقة النظيفة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة المد والجزر بسرعة. يتميز بخصائص الاعتماد الجغرافي المتقطع والعشوائي والقوي. من أجل حل قيود الوقت والمكان لتوليد الطاقة الجديدة وتحسين معدل استخدام الطاقة الجديدة ، أصبحت أهمية تكنولوجيا تخزين الطاقة بارزة بشكل متزايد. وفقًا لطرق تحويل وتخزين الطاقة الكهربائية ، يتم تقسيم تقنيات تخزين الطاقة إلى تخزين الطاقة الفيزيائية وتخزين الطاقة الكيميائية وتخزين الطاقة الكهروكيميائية. من بينها ، يتضمن تخزين الطاقة الكهروكيميائية تكنولوجيا البطاريات الثانوية والمكثفات الفائقة ، والتي تتميز بخصائص كفاءة تحويل الطاقة العالية وسرعة الاستجابة السريعة. تتمتع تقنية البطاريات الثانوية على وجه الخصوص بمزايا كثافة الطاقة العالية والوحدات النمطية السهلة.
البطارية الثانوية ، المعروفة أيضًا باسم البطارية القابلة لإعادة الشحن أو المركب ، هي جهاز يستخدم تفاعلات كيميائية عكسية ويمكن شحنها وتفريغها بشكل متكرر لتحويل الطاقة الكهربائية والطاقة الكيميائية إلى بعضها البعض لتحقيق تخزين الطاقة. يتم التعبير عن قدرة البطارية الثانوية على تخزين الطاقة من خلال كثافة الطاقة (وتسمى أيضًا الطاقة المحددة) ، أي إجمالي الطاقة التي يمكن إخراجها بواسطة البطارية لكل وحدة كتلة أو حجم ، والتي هي نتاج السعة المحددة و متوسط جهد التفريغ. يتم تحديد السعة النوعية نظريًا بواسطة الكتلة المولية للمواد المشاركة في تفاعل القطب وعدد الإلكترونات المكتسبة والمفقودة. لذلك ، كلما زادت نسبة الشحن إلى الكتلة لحامل الشحن ، زادت السعة النظرية المحددة للبطارية. من الناحية النظرية ، يتم تحديد جهد التفريغ بشكل أساسي من خلال فرق الجهد والمقاومة الداخلية للمواد الإيجابية والسلبية. لذلك ، كلما زادت إمكانات القطب الموجب ، انخفض جهد القطب السالب ، وأصغر المقاومة الداخلية للبطارية ، زاد جهد التفريغ. ثانيًا ، يجب أن يتمتع حامل الشحن بقدرة نقل جيدة ونشاط حركي ، مما يؤثر بشكل مباشر على قدرة البطارية وكثافة طاقة البطارية. أخيرًا ، تحدد عوامل مثل قابلية انعكاس تفاعلات الإلكترود والتفاعلات الجانبية أداء الدورة وعمر البطاريات الثانوية. تحتوي المعادن القلوية التي يمثلها الليثيوم على أدنى جهد لإلكترود الأكسدة والاختزال ، ونسبة كبيرة من الشحنة إلى الكتلة ، وطاقة ذوبان منخفضة ، لذلك تمت تجربتها كمواد أنود للبطاريات الثانوية في وقت مبكر من الستينيات. تستخدم بطاريات الليثيوم أيون المبكرة الليثيوم أو سبيكة الليثيوم كقطب سالب ، وهاليدات معدنية انتقالية (مثل AgCl ، CuCl ، NiF2 ، إلخ) كقطب موجب ، لكن مواد القطب الموجب هذه لها موصلية ضعيفة ، سهلة الذوبان ، ويتغير حجم الشحنة والتفريغ بشكل كبير ويصعب حلها. في أواخر الستينيات من القرن الماضي ، تم العثور على مركبات الكالكوجينيد الفلزية الانتقالية التي يمثلها TiS1960 لديها قدرات إقحام الطبقة البينية وإزالة التداخل ، والتي يمكن استخدامها كمواد كاثودية لبطاريات الليثيوم أيون ، ولها موصلية كهربائية عالية والتفاعل الكهروكيميائي. 2.2 فولت ، مع قيمة عملية. ومع ذلك ، فإن النشاط العالي للليثيوم المعدني يجعل حادث البطارية متكررًا ، مما يجبر الناس على استخدام مركبات إقحام الليثيوم (مثل الليثيوم الجرافيت) كقطب سالب. هذا هو مفهوم "بطارية الكرسي الهزاز": استخدام مركبات ذات جهد إقحام منخفض كأقطاب كهربائية سالبة ، عالية يعمل مركب جهد الإقحام كقطب موجب ، متجنبًا مشكلة التشعبات المعدنية القلوية. نظرًا لأن إمكانات القطب السالب لمركب إقحام الليثيوم أعلى من تلك الموجودة في معدن الليثيوم ، يتم تقليل الجهد الكلي وكثافة الطاقة للبطارية ، مما يجبر الناس على البحث عن مواد قطب موجبة جديدة ، واكتشف على التوالي قطبًا موجبًا مواد مثل كوبالتات الليثيوم ومنغنات الليثيوم وفوسفات الحديد الليثيوم.
تتميز قدرة التكلفة والمعدل لبطارية أيون الصوديوم بمزايا أكثر من بطارية ليثيوم أيون. يوجد الصوديوم والليثيوم في نفس العائلة في الجدول الدوري ، ولهما نفس عدد إلكترونات التكافؤ ، ولهما خصائص كيميائية أكثر نشاطًا. نظرًا لأن الكتلة الذرية ونصف قطر الصوديوم أكبر بكثير من تلك الموجودة في الليثيوم ، فمن الواضح أنه من الصعب مقارنة كثافة طاقة بطارية أيون الصوديوم مع بطاريات أيونات الليثيوم ، ولكن الوفرة الطبيعية للصوديوم وفيرة. درجة الكثافة أكثر من ألف مرة من الليثيوم ، وطاقة ذوبان أيونات الصوديوم أقل بكثير من أيونات الليثيوم. ظهرت بطارية أيون الصوديوم في السبعينيات تقريبًا في نفس الوقت مع بطارية أيون الليثيوم ، لكن عملية البحث في الاثنين مختلفة قليلاً. كانت بطارية الصوديوم الثانوية التي ظهرت لأول مرة في ذلك الوقت عبارة عن بطارية صوديوم-كبريت ، مع كبريت عنصري وصوديوم معدني كقطبين موجبين وسالبين ، وموصل أيون ألومينا سريع الأيونات كإلكتروليت صلب ، ودرجة حرارة التشغيل كانت 1970 ~ 300 درجة ج. تتميز بطارية الصوديوم والكبريت عالية الحرارة هذه بكثافة طاقة عالية (350 ~ 150 واط / كجم) وعمر دورة يبلغ 240 مرة ، في حين أن بطارية الليثيوم-الكبريت المماثلة لها دورة حياة أقل من 2500 مرات. من أجل تحسين سلامة بطاريات الصوديوم الثانوية ، تم تطوير بطاريات أيون الصوديوم بدرجة حرارة الغرفة ، باستخدام فكرة مشابهة لبطاريات أيون الليثيوم ، خضعت مادة الكاثود لكبريتيد معدني انتقالي متعدد الطبقات (TiS10) إلى أكسيد متعدد الطبقات (NaxCoO2)) والفوسفات (Na2M3 (PO2) 4 ، M هو معدن انتقالي). ولكن في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي ، كان البحث عن بطارية أيون الصوديوم باردًا ، وتوقفت الأبحاث ذات الصلة تقريبًا. هناك ثلاثة أسباب لذلك: أولاً ، من الصعب العثور على مادة الأنود المناسبة (يصعب تخزين الصوديوم في الجرافيت الذي يمكنه تخزين الليثيوم بكفاءة في مذيبات الإستر) ؛ ثانيًا ، ظروف البحث محدودة (محتوى الماء والأكسجين في النظام مرتفع ، ومن الصعب استخدام معدن تم استخدام الصوديوم كقطب معياري لتجارب تقييم المواد) ؛ ثالثًا ، ظهرت بطاريات الليثيوم أيون في المقدمة (قام عدد كبير من الباحثين بتثبيت الاتجاه على بطاريات الليثيوم أيون).
حتى القرن الحادي والعشرين ، كانت بطارية أيون الصوديوم إيذانا بنقطة تحول. في عام 21 ، وجد أن مادة الكربون الصلب التي تم الحصول عليها عن طريق الانحلال الحراري للجلوكوز لها سعة تخزين صوديوم محددة تصل إلى 2000 مللي أمبير ساعة / جم ، والتي توفر مادة أنود مهمة لبطارية أيون الصوديوم. في عام 300 ، تم العثور على مادة بوليانيون كاثود Na2007FePO2F ، وكان معدل تشوه حجم هذه المادة 4٪ فقط ، مع عدم وجود إجهاد تقريبًا. من عام 3.7 إلى عام 2000 ، كانت سرعة البحث لبطارية أيون الصوديوم بطيئة نسبيًا ، وتتركز بشكل أساسي في عدد قليل من الفرق التجريبية. بعد عام 2010 ، دخلت الأبحاث حول بطارية أيون الصوديوم إلى الربيع ، وظهرت أنظمة مواد جديدة ، وهي تحاول تدريجياً التصنيع.
مبدأ العمل والمواد: مشابهة لبطاريات الليثيوم
مبدأ العمل لبطارية أيون الصوديوم هو نفسه تمامًا مثل بطارية أيون الليثيوم ، أي في ظل ظروف محتملة معينة ، الامتصاص القابل للانعكاس وإقحام أيونات الفلزات القلوية الضيف في المادة المضيفة ، حيث يتم استخدام إمكانات الإقحام الأعلى كقطب موجب ، ويتم استخدام جهد الإقحام المنخفض كقطب موجب. القطب السالب ، عملية دورة الشحن والتفريغ للبطارية بأكملها هي عملية الانتقال ذهابًا وإيابًا لأيونات المعادن القلوية بين الأقطاب الموجبة والسالبة. البطارية مع آلية العمل هذه هي "بطارية الكرسي الهزاز" التي اقترحها M. Armand. هيكل تكوين بطارية أيون الصوديوم هو نفسه تمامًا هيكل أيون الليثيوم ، بما في ذلك بشكل أساسي القطب الموجب والقطب السالب والإلكتروليت والفاصل ومجمع التيار. وفقًا لما إذا كان مضيف المادة يشارك بشكل مباشر في عملية التفاعل الكهروكيميائي ، يمكن تقسيمها إلى مواد نشطة ومواد غير نشطة.
المواد الفعالة: القطب الموجب ، القطب السالب ، المنحل بالكهرباء
تشتمل المواد الفعالة لبطارية أيون الصوديوم على مادة قطب موجبة ، ومواد إلكترود سالبة ومواد إلكتروليت ، والتي تشارك بشكل مباشر في التفاعل الكهروكيميائي وبالتالي تحدد الخصائص الجوهرية للبطارية. نظرًا لأن نصف القطر والبنية الإلكترونية لأيونات الصوديوم تختلف تمامًا عن تلك الموجودة في أيونات الليثيوم ، فإن الديناميكا الحرارية والسلوك الحركي للتفاعلات مختلفة تمامًا ، لذا فإن البحث عن المواد الفعالة لبطاريات أيونات الصوديوم وتطويرها لا يمكن أن تقلد تمامًا بطاريات أيونات الليثيوم.
(1) مادة الكاثود: أكسيد ، أزرق بروسي ، بوليانيون ثلاثة خطوط رئيسية
تخضع مادة القطب الموجب لتفاعل أكسدة أثناء الشحن ورد فعل اختزال أثناء التفريغ ، ولها عمومًا إمكانية اختزال عالية. يجب أن تفي مادة الكاثود المثالية بمتطلبات إمكانات الاختزال العالية (ولكن يجب أن تكون أقل من إمكانات الأكسدة للكهارل) ، والقدرة الكبيرة القابلة للانعكاس ، وأداء الدورة المستقرة ، والتوصيل الإلكتروني والأيوني العالي ، والبنية المستقرة وعدم الخوف من الهواء ، والسلامة العالية ، وسعر منخفض. بالنسبة لبطاريات أيون الصوديوم ، تكون السعة النظرية المحددة لمواد الكاثود الحالية منخفضة نسبيًا ، لذا فهي تصبح أحد المحددات الرئيسية للقدرة الإجمالية للبطارية. في الوقت الحاضر ، تنقسم مواد الكاثود لبطاريات أيونات الصوديوم بشكل أساسي إلى خمسة أنواع: أكاسيد ، بوليانيون ، أزرق بروسي ، فلوريد ، ومركبات عضوية. الأنواع الثلاثة الأولى لها أعلى نضج ودخلت المرحلة الأولى من التصنيع. .
الأكاسيد: التكنولوجيا الأكثر نضجا ، والقدرة النوعية العالية ، والأنواع الأكثر وفرة
مواد الكاثود القائمة على الأكسيد هي بشكل عام أكاسيد معدنية انتقالية ، بما في ذلك بشكل أساسي أكاسيد الطبقات وأكاسيد الأنفاق. البحث عن أكاسيد الطبقات هو الأقدم والأكثر شمولاً. بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون ، فإن كاثودات أكسيد الطبقات المكونة من ثلاثة عناصر فقط ، Mn و Co و Ni ، لها نشاط كهروكيميائي قابل للعكس. بطاريات Na-ion لها نطاق اختيار أوسع. الدورة الرابعة للمعادن الانتقالية من Ti إلى Ni نشاط عالي ، وآليات عملها أكثر تعقيدًا ، وغالبًا ما تكون مصحوبة بسلوكيات انتقالية متعددة المراحل. الصيغة العامة للأكاسيد ذات الطبقات هي NaxMO2 ، حيث M هو معدن انتقالي. تشمل الأنواع الهيكلية الشائعة بشكل أساسي النوع O3 والنوع P2. الأول لديه قدرة محددة أعلى ولكن معدل وأداء دورة ضعيف ؛ هذا الأخير لديه معدل أفضل وأداء دورة. ، لكن السعة الفعلية المحددة أقل قليلاً. بالإضافة إلى ذلك ، تميل الأكاسيد ذات الطبقات إلى أن تكون عرضة للتحلل المائي في الهواء. في هذه المرحلة ، تتمتع الأكاسيد ذات الطبقات بكثافة طاقة عالية وتكنولوجيا تحضير ناضجة ، ومن المتوقع أن تأخذ زمام المبادرة في التصنيع ، وخاصة الأكاسيد ذات الطبقات من النوع P2 مع استقرار أفضل. تحتوي أكاسيد الأنفاق على هيكل مسامي ثلاثي الأبعاد وغالبًا ما توجد في أكاسيد ذات محتوى منخفض من الصوديوم. لديهم دورة ممتازة وأداء معدل ومستقر للماء والأكسجين ، ولكن سعتها المحددة منخفضة للغاية. في المستقبل ، قد يكون لأكاسيد الأنفاق مزايا تنافسية محتملة في البحث والتطوير للكاثودات الغنية بالصوديوم وبطاريات أيون الصوديوم المائية.
الأزرق البروسي: تكلفة مادية منخفضة ، سعة محددة عالية ، حواجز تقنية عالية
مواد الكاثود الأزرق البروسي عبارة عن بوليمرات تنسيق السيانيد المعدني الانتقالية مع الصيغة العامة AxM1 [M2 (CN) 6] 1-y · □ y · nH2O ، حيث A عبارة عن أيون فلز قلوي ، M1 و M2 هي أيونات فلزية انتقالية (منسقة مع N و C ، على التوالي) ، □ هو [M2 (CN) 6] عيب شاغر. نظرًا للهيكل الإلكتروني الفريد للتنسيق المزدوج للسيانيد والفضاء المفتوح ثلاثي الأبعاد ، تتمتع المادة بمزايا الهيكل المستقر ، ومعدل الإقحام السريع وإزالة التداخل ، والقدرة النوعية الكبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المعادن الانتقالية الأساسية لهذه المواد هي معادن رخيصة مثل الحديد والمنغنيز ، والمواد الخام متاحة بسهولة ومنخفضة التكلفة. ومع ذلك ، في التطبيقات العملية ، فإن محتوى الماء الشبكي (بما في ذلك المياه الكريستالية والمياه الممتزجة) وكثافة خلل الشغور في المادة ستحد بشكل خطير من أداء البطارية ، مما يؤدي إلى تقليل استخدام السعة وكفاءة الطاقة وعمر الدورة. جدير بالذكر أن الباحثين اكتشفوا مؤخرًا أن بطارية أيون الصوديوم التي تستخدم مادة الكاثود الأزرق البروسي ستطلق سيانيد الهيدروجين وغاز السيانيد عالي السمية تحت ظروف الانحلال الحراري ، وترتبط آلية التحلل الحراري ارتباطًا وثيقًا بالمياه الشبكية وعيوب الشغور. ترتبط ارتباطا وثيقا ، يمكن ملاحظة أن هذه التكنولوجيا لديها متطلبات أعلى على جودة المواد. بالإضافة إلى ذلك ، يتضمن تحضير هذه المادة سيانيد الصوديوم عالي السمية ، والذي يتطلب مؤهلات خاصة في الإنتاج والإمداد.
Polyanions: أفضل أمان ، سعة محددة منخفضة جدًا ، تكلفة مادية عالية
تشير مواد الكاثود القائمة على البوليانيون إلى الأملاح المزدوجة المحتوية على الصوديوم والتي يتكون إطارها البلوري من سلسلة من وحدات الأنيون رباعي السطوح ومتعددة السطوح ، مع الصيغة العامة NaxMy (XaOb) zZw. ، حيث M عبارة عن كاتيون مثل معدن انتقالي أو فلز أرضي قلوي ، X عنصر كهرسلبي للغاية مثل الفوسفور أو الكبريت ، و Z عبارة عن أنيون مثل الفلور أو الهيدروكسيد. تتميز الوحدات الأنيونية متعددة السطوح من هذا النوع من المواد برابطة تساهمية قوية ، وبالتالي فإن الهيكل البلوري مستقر للغاية ، كما أن ثباتها الكيميائي واستقرارها الحراري واستقرارها الكهروكيميائي مرتفع ، لذلك تتمتع دورة حياة وسلامة جيدة. ، ومنصة الجهد الخاصة بها تميل إلى أن تكون واسعة. ثانيًا ، تتمتع إلكترونات التكافؤ لأيونات المعادن الانتقالية بدرجة عالية من التوطين ، ويمكن لهذا الهيكل الإلكتروني أن يستخدم بسهولة التأثير الاستقرائي للعناصر الكهربية القوية لتحسين جهد العمل للمادة. ومع ذلك ، نظرًا لخاصية فجوة النطاق العريضة ، فإن الموصلية الإلكترونية الذاتية منخفضة جدًا ، مما يحد بشكل كبير من قدرتها على معدلها ويجب تعديلها عن طريق إضافة عوامل موصلة أو مقياس نانوي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن السعة المحددة لهذه المادة منخفضة بشكل عام. في الوقت الحاضر ، المواد البوليانيونية الأكثر شيوعًا هي الفوسفات بشكل أساسي ، ويمثلها نوع الزبرجد الزيتوني NaFePO4 و NASICON من النوع Na3V2 (PO4) 3. إن بنية NaFePO4 هي نفس بنية فوسفات حديد الليثيوم ، ولكن يجب أن يعتمد التركيب على طريقة تبادل أيوني معقدة ، والتكلفة مرتفعة. يتميز Na3V2 (PO4) 3 بأداء معدل ممتاز وعمر دورة حياة ممتاز ، ولكن السعة المحددة أقل من تلك الخاصة بالمواد من النوع الأوليفين. بالإضافة إلى ذلك ، يتم أيضًا دراسة مواد بوليانيونية جديدة مثل بيروفوسفات ، كبريتات ، وموليبدات. لقد حسنت هذه الأنظمة جهد التشغيل وأداء المعدل ، ولكن لا تزال هناك العديد من المشكلات مثل انخفاض السعة المحددة الفعلية وضعف انعكاس الدورة. خلل.
الفلوريدات: مواد رخيصة نسبيًا ، يصعب تطبيقها عمليًا
تتميز فلوريدات المعادن الانتقالية بإمكانيات اختزال عالية مماثلة للأكاسيد ، ويمكن تحقيق الإقحام وإزالة التداخل لأيونات الصوديوم من خلال تحويل التكافؤ لأيونات المعادن الانتقالية ، لذا فهي أيضًا مواد كاثودية محتملة. أكبر مشكلة في هذا النوع من المواد هي أن المقاومة عالية جدًا ، مما يؤثر بشكل خطير على أداء المعدل ، والقدرة الفعلية المحددة منخفضة بشكل عام. حتى الآن ، فإن مواد الفلوريد ذات السعة المحددة الأكبر هي فلوريدات قائمة على الحديد ، يتم تمثيلها عادةً بواسطة NaFeF3 (فعليًا 128 مللي أمبير / جرام ، نظري 197 مللي أمبير / جرام). بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع بعض مواد فلوريد الحديد المائي بقدرة محددة عالية ، مثل Fe2F5 H2O (الأولي 251 مللي أمبير / غرام) ، لكن أداء الدورة لا يزال ضعيفًا.
المركبات العضوية: لا تعتمد على الموارد المعدنية ، ولا تزال في مرحلة البحث
يمكن لبعض المركبات العضوية التي تحتوي على أنظمة مترافقة وفيرة وأزواج وحيدة من الإلكترونات أن تخضع لتفاعلات الأكسدة والاختزال القابلة للعكس ، بحيث يمكن استخدامها أيضًا لتطوير مواد الكاثود. تتمثل مزايا هذا النوع من المواد في أنه لا يحتاج إلى الاعتماد على موارد معدنية انتقالية ، كما أن هيكلها وخصائصها سهلة التصميم والتحكم ، لذا فهي تتمتع بإمكانيات معينة. ومع ذلك ، لا تزال هناك عيوب كبيرة في هذه المرحلة: الموصلية منخفضة بشكل عام ، وهي عرضة للانحلال. في الوقت الحاضر ، توجد بشكل أساسي بوليمرات موصلة للنظام المترافق (مثل بوليانيلين معدل ، بولي بيرول ، إلخ) ، مركبات كربونيل مترافقة (مثل المشتقات العطرية لفينات الصوديوم ، كربوكسيلات الصوديوم) وما شابه ذلك.
(2) مواد الأنود: المواد الكربونية هي الأكثر نضجًا ومن المتوقع أن تأخذ زمام المبادرة في التصنيع
تخضع مادة القطب السالب لتفاعل اختزال أثناء الشحن وتفاعل أكسدة أثناء التفريغ ، ولها عمومًا إمكانية اختزال أقل. يجب أن تفي مادة الكاثود المثالية بمتطلبات إمكانات التخفيض المنخفضة (ولكن يجب أن تكون أعلى من إمكانية ترسيب الصوديوم المعدني) ، والقدرة الكبيرة القابلة للانعكاس ، وأداء الدورة المستقرة ، والتوصيل الإلكتروني والأيوني العالي ، والبنية المستقرة وعدم الخوف من الهواء ، والسلامة العالية ، وسعر منخفض. بالنسبة لبطارية أيون الصوديوم ، تلعب مادة القطب السالب دورًا مهمًا في تحميل وإطلاق أيونات الصوديوم ، مما يؤثر بشكل مباشر على الأداء الديناميكي العام للبطارية ، مثل أداء المعدل وكثافة الطاقة وما إلى ذلك. تنقسم بطاريات الأيونات بشكل أساسي إلى خمسة أنواع: المواد القائمة على الكربون ، والمواد القائمة على التيتانيوم ، والمواد السبائك ، والمركبات العضوية ، وأنظمة أخرى. من بينها ، تتمتع المواد القائمة على الكربون بأعلى مستوى من النضج التكنولوجي وغنية بالموارد ، ومن المتوقع أن تأخذ زمام المبادرة في تحقيق التصنيع. يتغيرون.
المواد القائمة على الكربون: الكربون اللين والكربون الصلب لهما مزايا خاصة بهما ، ولا تزال الأقطاب الكهربائية السالبة للجرافيت قيد الدراسة
وفقًا للبنية المجهرية لذرات الكربون ، تنقسم مواد الأنود القائمة على الكربون إلى مواد أساسها الجرافيت ، ومواد كربونية غير متبلورة ، ومواد نانوية كربونية. يختلف عن أيونات المعادن القلوية الأخرى ، من الصعب على أيونات الصوديوم أن تقطع بشكل فعال بين طبقات الجرافيت في مذيبات الكربونات ، والذي يرجع أساسًا إلى ΔG> 0 من تفاعل إقحام أيون الجرافيت الصوديوم. لذلك ، من الصعب استخدام أنود الجرافيت ، الذي يستخدم على نطاق واسع في بطاريات أيونات الليثيوم ، في بطاريات أيون الصوديوم مع الكربونات كمذيب. في الواقع ، في مذيبات الأثير ، يمكن للجرافيت أيضًا إدخال وإزالة أيونات الصوديوم بشكل فعال ، لكن استقرار الإلكتروليت يضعف ، ومن السهل التفاعل مع القطب الموجب ، الأمر الذي يحتاج إلى مزيد من الدراسة. تتمتع مواد الكربون غير المتبلور بقدرة تخزين عالية محددة للصوديوم وهي أيضًا مواد الأنود الأقرب إلى التصنيع في الوقت الحاضر. وفقًا لصعوبة معالجة الرسوم البيانية للمعالجة الحرارية ، يتم تقسيمها إلى كربون ناعم وكربون صلب. يمكن رسم الكربون اللين تمامًا عند درجات حرارة أعلى من 2800 درجة مئوية ، كما يصعب رسم الكربون الصلب في درجات حرارة عالية. يكمن الاختلاف بين الكربون اللين والصلب في تفاعلات الارتباط المتقاطع لطبقات الكربون في البنية المجهرية ، والتي تعتمد بشكل أساسي على بنية وشكل سلائف الكربنة المستخدمة. بشكل عام ، تميل سلائف اللدائن الحرارية (المواد الخام البتروكيماوية والمنتجات الثانوية) إلى تكوين الكربون اللين ، بينما تميل السلائف الحرارية (الكتلة الحيوية ، بوليمرات الراتنج ، إلخ) إلى تكوين الكربون الصلب. من الناحية النسبية ، فإن تكلفة تصنيع الكربون اللين أقل ، والعملية سهلة التحكم ، لكن السعة المحددة ليست جيدة مثل قدرة الكربون الصلب ؛ السعة المحددة للكربون الصلب أعلى ، لكن كفاءة الدورة الأولى غالبًا ما تكون أقل ، ويعتمد أدائها على السلائف المستخدمة والمعالجة. عملية ، عائد الكربون منخفض. ومن الجدير بالذكر أن آلية تخزين الصوديوم للمواد الكربونية الصلبة لا تزال غير مفهومة تمامًا ، ولا يزال هناك مجال كبير للتحسين. تشمل المواد النانوية الكربونية بشكل أساسي الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية ، ويتم تخزين أيونات الصوديوم بشكل أساسي على سطحها وعيوبها عن طريق الامتصاص. السعة النظرية المحددة لهذه المواد كبيرة ، ولكن في الأسبوع الأول تكون كفاءة كولومبيك منخفضة ، وإمكانية التفاعل عالية ، والسعر مرتفع. مكلفة.
المواد القائمة على التيتانيوم: مزايا محتملة فريدة يصعب تسويقها على المدى القصير
إن إمكانات الاختزال للتيتانيوم رباعي التكافؤ منخفضة بشكل عام ، ومركباته مستقرة في الهواء ، ومركبات التيتانيوم ذات الهياكل البلورية المختلفة لها إمكانات مختلفة لتخزين الصوديوم ، لذلك يتم استخدامها لتطوير مواد الأنود. في الوقت الحاضر ، المواد القائمة على التيتانيوم هي أساسًا بعض أكاسيد التيتانيوم ومركبات بوليانيونيك. تشتمل الأكاسيد على طبقات Na2Ti3O7 و Na0.6 [Cr0.6Ti0.4] O2 ونوع الإسبنيل Li4Ti5O12 (تستخدم أيضًا في الأقطاب الكهربائية السالبة لبطارية ليثيوم أيون) ، إلخ. تشتمل مركبات بوليانيونيك على NaTiOPO4 المتعامد ، نوع NASICON من NaTi2 (PO4) 3. السعة المحددة لهذه المواد ليست عالية بشكل عام ، ولكن لها العديد من المزايا الفريدة. على سبيل المثال ، Li4Ti5O12 مادة خالية من الإجهاد ، Na0.6 [Cr0.6Ti0.4] O2 يمكن أن يعمل كمواد موجبة وسالبة ، و NaTi2 (PO4) 3 يمكن أن يعمل لبطارية أيونات الصوديوم المائية.
مواد السبائك: قدرة محددة نظرية ضخمة ، صعوبات تقنية يجب التغلب عليها
يمكن أن يشكل الصوديوم المعدني سبائك مع Sn و Sb و In ومعادن أخرى ، ويمكن استخدامه كقطب سالب لبطارية أيون الصوديوم ، وهو مشابه للإلكترود السالب القائم على السيليكون لبطارية ليثيوم أيون. تتمثل مزايا هذا النوع من المواد في السعة النظرية المحددة العالية وإمكانية التفاعل المنخفضة ، لذلك من المتوقع تصنيع بطاريات أيون الصوديوم بكثافة طاقة عالية وجهد عالي. ومع ذلك ، فإن حركية تفاعل هذه المواد ضعيفة ، وقد يتغير الحجم قبل وبعد إزالة الصوديوم عدة مرات. مع الضغط الهائل ، من السهل أن تسقط المادة الفعالة من على سطح المجمع الحالي ، وتتحلل السعة المحددة بسرعة.
المركبات العضوية: ظروف تركيب خفيفة ، لا تزال في مرحلة البحث
تتشابه مزايا وعيوب مواد الأنود العضوية مع تلك الخاصة بمواد الكاثود العضوية. تشمل الأنواع الحالية بشكل أساسي مركبات الكربونيل ومركبات قاعدة شيف ومركبات الجذور العضوية والكبريتيدات العضوية ، والتي لا تزال في مرحلة البحث المخبري.
أنظمة أخرى: مركبات V و VI ، معظمها معادن انتقالية ، لا تزال في مرحلة البحث
تحتوي بعض أكاسيد المعادن الانتقالية ، والكبريتيدات ، والسيلينيدات ، والنتريدات ، والفوسفيدات أيضًا على نشاط كهروكيميائي لتخزين الصوديوم القابل للانعكاس. غالبًا ما تكون هذه المواد مصحوبة بتفاعلات التحويل وتفاعلات صناعة السبائك ، لذلك يمكن أن تتجاوز سعتها النظرية المحددة مواد أنود السبيكة المقابلة ، ولكن أيضًا مشاكل تقنية أكثر.
(3) مادة المنحل بالكهرباء: إلكتروليت سائل بشكل أساسي ، الشكل هو نفسه مثل بطارية الليثيوم
المنحل بالكهرباء هو جسر لنقل المواد بين الأقطاب الموجبة والسالبة. يتم استخدامه لنقل الأيونات لتشكيل حلقة مغلقة. إنه ضمان مهم للحفاظ على التفاعلات الكهروكيميائية. فهو لا يؤثر فقط بشكل مباشر على المعدل وعمر الدورة والتفريغ الذاتي والأداء الآخر للبطارية ، ولكنه يحدد أيضًا استقرار وسلامة البطارية. أحد العناصر الأساسية للجنس. وفقًا للشكل المادي ، يمكن تقسيم المنحل بالكهرباء لبطارية أيون الصوديوم إلى إلكتروليت سائل وإلكتروليت صلب.
السائل المنحل بالكهرباء: على غرار بطاريات الليثيوم ، تصبح أملاح الليثيوم أملاح الصوديوم
غالبًا ما يشار إلى الإلكتروليتات السائلة بالإلكتروليتات وتتكون عمومًا من مذيبات ومذابات وإضافات. نظرًا لأن الحد الأعلى للنافذة الكهروكيميائية للماء لا يتجاوز 2 فولت ، فإن المذيب عبارة عن مذيب عضوي قطبي غير بروتوني ، والذي لا يمكنه فقط إذابة كمية كبيرة من أملاح الصوديوم ، ولكن أيضًا لا يمكنه إطلاق بروتون الهيدروجين ، وله أيضًا بعض مضادات- القدرة على الأكسدة. لديه لزوجة أقل. لذلك ، يتم استخدام الكربونات ذات ثابت العزل الكهربائي العالي واللزوجة العالية بشكل عام مع الإيثرات ذات الثبات العازل المنخفض واللزوجة المنخفضة ، وبالتالي يكون المنحل بالكهرباء شديد الاشتعال. المذابات عبارة عن أملاح صوديوم ذات أنيون نصف قطر كبير ، والتي تنقسم إلى أملاح صوديوم غير عضوية وأملاح صوديوم عضوية. أملاح الصوديوم ، إلخ. بشكل عام ، أملاح الصوديوم العضوية أكثر استقرارًا ، بينما أملاح الصوديوم غير العضوية أقل تكلفة. من المتوقع حاليًا أن يحقق التطبيق الصناعي أساسًا سداسي فلورو فوسفات الصوديوم ، والذي يتمتع بأفضل توصيلية نسبيًا ، ولكنه شديد الحساسية للماء. محتوى المواد المضافة في الإلكتروليت أقل من 5٪ ، بشكل أساسي بعض المركبات مثل أملاح الصوديوم ، والإسترات ، والنتريل ، والإيثرات ، وما إلى ذلك ، والتي تلعب دورًا في المساعدة في تكوين فيلم SEI وفيلم CEI ، وحماية الشحن الزائد ، واللهب معوق.
إلكتروليت الحالة الصلبة: لكهرباء صوديوم الحالة الصلبة ، لا يزال في مرحلة البحث
تشتمل مواد إلكتروليت الحالة الصلبة بشكل أساسي على ثلاثة أنواع: إلكتروليتات الحالة الصلبة غير العضوية ، وإلكتروليتات الحالة الصلبة البوليمرية ، وإلكتروليتات الحالة الصلبة المركبة. نظرًا لتجنب المذيبات العضوية القابلة للاشتعال والانفجار ، تم تحسين سلامة البطارية بشكل كبير ، وتم توسيع النافذة الكهروكيميائية بشكل كبير ، مما يجعل من الممكن استخدام مواد الكاثود عالية الإمكانات وأنودات الصوديوم المعدنية ، وبالتالي تحسين الطاقة بشكل كبير كثافة البطارية بأكملها. . بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لحاجز الإلكتروليت الصلب الصلب بين الأقطاب الموجبة والسالبة ، لم تعد هناك حاجة إلى فاصل منفصل ، ومع عملية القطب ثنائي القطب ، يمكن تحسين كثافة طاقة النظام للبطارية. تواجه مثل هذه المواد حاليًا مشكلات مثل التوصيل في درجة حرارة الغرفة المنخفضة ومقاومة عالية للواجهة ، وسيستغرق تصنيعها وقتًا طويلاً.
1.2.2. المواد غير النشطة: أغشية ، مجمعات التيار ، عوامل موصلة ، مواد رابطة
تشتمل المواد غير النشطة في بطارية أيون الصوديوم بشكل أساسي على أغشية ، ومجمعات تيار ، وعوامل موصلة ، ومواد رابطة ، وما إلى ذلك ، وهي لا تشارك بشكل مباشر في التفاعل الكهروكيميائي ، ولكنها مواد مساعدة أساسية ، وسيكون توافقها مع المواد النشطة وعوامل أخرى تأثير كبير على أداء البطارية.
(1) الحجاب الحاجز: مشترك في بطاريات الليثيوم أيون
تتمثل وظيفة الفاصل في الفصل المادي بين الأقطاب الموجبة والسالبة لتجنب الاتصال المباشر والتفاعل بين الاثنين ، وفي نفس الوقت لضمان تسلل واختراق جزيئات المذيبات ، مما يسمح بالمرور السريع لأيونات الصوديوم المذابة. يجب أن تحتوي مادة الفصل المثالية على عزل إلكتروني جيد وموصلية أيونية ، وقوة ميكانيكية عالية ورقيقة قدر الإمكان ، وخمول كيميائي عالٍ (لا تتفاعل مع الإلكتروليت ، ولا تتفاعل مع الأقطاب الموجبة والسالبة) ، وثبات حراري جيد. تستخدم فواصل البولي أوليفين البوليمر ، مثل PE ، PP ، والأغشية المركبة على نطاق واسع في بطاريات الليثيوم أيون ، ويمكن زرع هذه المواد الفاصلة مباشرة في نظام بطارية أيون الصوديوم. في المستقبل ، في نظام بطاريات أيونات الصوديوم الصلبة بالكامل ، لن تكون مادة الحجاب الحاجز مطلوبة.
(2) جامع التيار: كل من الأقطاب الموجبة والسالبة مصنوعة من رقائق الألومنيوم
المجمع الحالي هو العضو الأساسي الذي يتم ربط المواد النشطة الموجبة والسالبة به ، وهو يمثل حوالي 10-13٪ من وزن البطارية ، ويستخدم لتجميع التيار الناتج عن مادة القطب الكهربائي وتحرير التوصيل إلى الخارج . على الرغم من أن جامع التيار لا يشارك في تفاعل القطب الكهربي ، إلا أنه الضمان الأساسي لأداء مادة القطب ، ويؤثر نقاوتها وسمكها وضغطها والمعلمات الأخرى بشكل غير مباشر على أداء العمل الفعلي للإلكترود. يجب أن تتمتع المواد المستخدمة كمجمعات تيار بموصلية كهربائية ممتازة ، ومقاومة تلامس منخفضة مع المواد الفعالة ، وخمول كيميائي عالٍ (لا تتفاعل مع الإلكتروليت والأقطاب الموجبة والسالبة) ، وقابلية معالجة جيدة وخصائص ميكانيكية مستقرة. في بطاريات الليثيوم أيون ، يكون مجمع التيار الكهربائي الموجب عبارة عن رقائق الألومنيوم ، ومجمع التيار الكهربائي السالب عبارة عن رقائق نحاسية لتجنب تشكيل سبائك الألومنيوم والليثيوم في ظل ظروف منخفضة الجهد. في بطاريات أيون الصوديوم ، نظرًا لأن الصوديوم والألمنيوم لا يخضعان لتفاعل صناعة السبائك ، يمكن استخدام رقائق الألومنيوم لكل من مجمعات التيار الموجب والسالب ، مع تجنب رقائق النحاس باهظة الثمن نسبيًا.
(3) عامل موصل: مثل بطارية ليثيوم أيون
عند استخدام مادة الإلكترود فعليًا ، من الضروري أيضًا إضافة عامل موصل له ثلاث وظائف رئيسية: تقليل الاستقطاب الذاتي لمواد القطب ، وتقليل مقاومة التلامس بين جسيمات المادة النشطة وبين المجمع الحالي ، والامتصاص المنحل بالكهرباء وتحسين تسلل تأثير القطب. العوامل الموصلة شائعة الاستخدام هي المواد الكربونية ذات مساحة السطح المحددة الكبيرة والموصلية الجيدة ، مثل أسود الكربون ومسحوق الجرافيت والأنابيب النانوية الكربونية والجرافين.
(4) الموثق: نفس بطارية ليثيوم أيون
تتمثل وظيفة الموثق في الجمع بين مادة القطب والعامل الموصّل والمجمع الحالي لعمل قطعة قطب كاملة يمكن استخدامها. يجب أن تتمتع المادة المستخدمة كمواد رابطة باستقرار جيد ، وأن تكون سهلة المعالجة ، وأن تكون منخفضة التكلفة. المواد اللاصقة المستخدمة بشكل شائع لبطاريات أيون الصوديوم تشبه بطاريات أيونات الليثيوم ، ومعظمها بوليمرات قطبية قوية ، مثل فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) ، وألجينات الصوديوم (SA) ، وحمض البولي أكريليك (PAA) ، وكربوكسي ميثيل السليلوز (CMC) ، وبولي تترافلورو إيثيلين (PTFE) ، إلخ.
عملية التصنيع والمسار: على نفس المنوال مثل بطاريات الليثيوم
1.3.1. تركيب مادة القطب الكهربي: اللون الأزرق البروسي هو الوحيد الخاص
يجب تحديد طريقة تركيب مادة كاثود بطارية أيون الصوديوم وفقًا لفئة المواد المحددة ، والتي تنقسم بشكل أساسي إلى طريقة تفاعل المرحلة الصلبة وطريقة تخليق المرحلة السائلة. يمكن تصنيع مواد الأكسيد والبوليان إما بطريقة تفاعل المرحلة الصلبة أو طريقة تصنيع المرحلة السائلة. عملية التوليف هي في الأساس نفس عملية المواد المقابلة لبطاريات الليثيوم أيون ، لذلك يمكن أن يكون خط الإنتاج متوافقًا إلى حد معين. في الوقت الحاضر ، تعد طريقة تفاعل المرحلة الصلبة هي الأكثر استخدامًا في الصناعة. إن توحيد المنتج المعد بهذه الطريقة له قيود معينة ، لكن العملية بسيطة والعملية التكنولوجية قصيرة ، وهي مناسبة للإنتاج على نطاق واسع. تتميز طريقة تخليق المرحلة السائلة بتوحيد المنتج العالي ، ولكنها باهظة الثمن نسبيًا وتتطلب معدات عالية وتحتوي على الكثير من مياه الصرف الصحي. بالإضافة إلى ذلك ، هناك تقنيات مثل طريقة sol-gel وطريقة تخليق الميكروويف وطريقة التجفيف بالرش وطريقة التبادل الأيوني وما إلى ذلك ، والتي لها تكلفة عالية بشكل عام وليست مناسبة للإنتاج الصناعي في الوقت الحالي.
1.3.2. يتم تجميع البطاريات في مجموعات: عملية التجميع وتصنيف المظهر مماثلان لبطاريات الليثيوم أيون
على غرار بطاريات الليثيوم أيون ، يخضع إنتاج بطاريات أيون الصوديوم أيضًا لعمليات مثل فصل اللب والطلاء والتجميع وحقن السوائل والتكوين الكيميائي. من بينها ، تتمثل عملية التجميع بشكل أساسي في الجمع بين الألواح الموجبة والسالبة المكتملة من خلال الطبقة البينية للحجاب الحاجز لإنشاء مسار أيون الصوديوم داخل البطارية ، وعزل الأقطاب الموجبة والسالبة لمنع الدوائر القصيرة الداخلية. تتبع عملية التجميع تقنية بطاريات الليثيوم أيون وتنقسم إلى عمليات لف وتصفيح. الأول مقسم كذلك إلى لف أسطواني ولف مربع. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التصميم الهيكلي وعملية التغليف لمنتجات بطاريات أيون الصوديوم تتبع بشكل أساسي بطارية الليثيوم أيون ، وينقسم المظهر تقريبًا إلى ثلاث فئات: أسطواني ، وحزمة ناعمة ، وقشرة صلبة مربعة ، ولكل منها مزاياها وعيوبها.
مقارنة أفقية: بطارية الصوديوم مقابل بطارية الليثيوم ، وتدفق السائل ، وحمض الرصاص
مع تقدم تصنيع بطاريات أيون الصوديوم ، لا بد أن يكون لها درجات متفاوتة من التأثير على تقنيات البطاريات الثانوية الأخرى. أول من يتحمل العبء الأكبر هو بطاريات الليثيوم أيون ، وكذلك بطاريات التدفق وبطاريات حمض الرصاص التي لطالما استخدمت على نطاق واسع في السوق. في هذا القسم ، نتوقع بإيجاز المشهد التنافسي المستقبلي لبطارية أيون الصوديوم من خلال المقارنة الأفقية بين بطارية أيون الصوديوم وتقنيات البطاريات الثلاث المذكورة أعلاه.
بطارية الصوديوم مقابل بطارية الليثيوم: أداء مشابه لفوسفات حديد الليثيوم ، أداء تكلفة شامل أو أعلى
بطارية أيون الصوديوم هي ملحق وامتداد لبطارية ليثيوم أيون ، وليست علاقة استبدال كاملة. بادئ ذي بدء ، من حيث الأداء ، فإن نظام بطارية الليثيوم أيون الحالي ليس مثاليًا: بطاريات الكاثود الثلاثية ذات كثافة طاقة عالية ، ولكن دورة حياة ضعيفة ؛ تتمتع بطاريات كاثود فوسفات الحديد الليثيوم بدورة حياة عالية ، ولكن كثافة طاقة منخفضة ؛ بطاريات الكاثود منغنات الليثيوم جهد العمل مرتفع ، لكن كثافة الطاقة ودورة الحياة ضعيفة. بالإضافة إلى ذلك ، تكون بطاريات الليثيوم أيون عرضة لتلاشي السعة الشديدة في درجات الحرارة المنخفضة ، مما يتطلب نظامًا للتحكم في درجة الحرارة ، والذي يستهلك ما لا يقل عن 5٪ من طاقة نظام البطارية ويزيد من تكلفة التصنيع. في المقابل ، اقتربت كثافة الطاقة في نظام بطاريات أيون الصوديوم الحالي من كثافة طاقة فوسفات حديد الليثيوم ؛ على الرغم من أن دورة الحياة ليست جيدة مثل فوسفات الحديد الليثيوم ، إلا أنها أفضل بكثير من المواد الثلاثية ومنغنات الليثيوم.
ثانيًا ، من منظور السلامة ، نظرًا لأن درجة الحرارة الأولية للهروب الحراري لبطارية أيون الصوديوم أعلى قليلاً من درجة حرارة بطارية أيون الليثيوم ، فقد تم تحسين السلامة على مستوى الخلية ، لكن كلا البطاريتين تحتاجان إلى استخدام عضوي شديد الاشتعال المنحل بالكهرباء ، هناك خطر الاحتراق في ظل ظروف الانحراف الحراري. من التجارب المدمرة الحالية مثل ثقب الخلية ، قد تكون السلامة الفعلية لبطارية أيون الصوديوم مماثلة لتلك الموجودة في بطارية فوسفات الحديد الليثيوم.
أخيرًا ، من منظور التكلفة ، يمكن لبطارية أيون الصوديوم أن تقلل بشكل فعال تكلفة المواد الخام. أولاً ، يتم استبدال مركبات الليثيوم في المواد الفعالة (الكاثود ، الإلكتروليت) بمركبات الصوديوم ككل ، واستبدلت المعادن الرخيصة مثل الحديد والمنغنيز إلى حد كبير المعادن الأكثر تكلفة مثل الكوبالت والنيكل في الكاثود ؛ ثانيًا ، لا يتشكل معدن الصوديوم مع معدن الألمنيوم. سبيكة سهلة الانصهار ، يمكن تصنيع كل من مجمعات التيار الموجب والسالب من رقائق الألومنيوم الرخيصة ، لتحل محل مجمعات التيار الكهربائي السالب النحاسية الأكثر تكلفة في بطارية الليثيوم أيون الأصلية ؛ ثالثًا ، نظرًا لأن نصف قطر ستوكس لأيونات الصوديوم أصغر من نصف قطر أيونات الليثيوم ، لذلك يمكن تقليل كمية المذاب في الإلكتروليت بشكل كبير. في المستقبل ، من المرجح أن تشكل بطارية أيون الصوديوم علاقة تنافسية قوية مع بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم ، خاصة في مناطق جبال الألب ؛ ستستمر بطاريات الليثيوم أيون في التطور في اتجاه كثافة الطاقة العالية والجهد العالي للعمل ، وتتطور تدريجياً إلى بطاريات صلبة بالكامل ، إلخ. التكرارات التكنولوجية الجديدة.
كهرباء الصوديوم مقابل تدفق السائل: المزايا والعيوب متكاملة للغاية ، أو تقف جنبًا إلى جنب في سوق تخزين الطاقة
تتمتع بطارية أيون الصوديوم وبطارية التدفق بتكامل قوي ، فالأولى مناسبة لتخزين الطاقة الصغيرة والمرنة ، والأخيرة مناسبة لتخزين الطاقة الكبيرة والمتوسطة الحجم. بطارية التدفق عبارة عن جهاز تخزين طاقة كهروكيميائية في الطور السائل (نظام طور الماء بشكل أساسي) ، والذي يتميز بأنه يتم إذابة مادة العمل النشطة في الإلكتروليت ، ويتم تحقيق تخزين الطاقة وإطلاقها عن طريق تغيير حالة تكافؤ الأكسدة المادة الفعالة. يشمل الممثلون بطاريات تدفق الفاناديوم بالكامل وبطاريات تدفق الحديد والكروم وبطاريات تدفق الزنك والبروم. تكمن أكبر ميزة لبطارية التدفق في السلامة الجوهرية لنظام الطور المائي الخاص بها وعمر الدورة الطويل للغاية ، وهو مناسب بشكل خاص لمرافق تخزين الطاقة الكهروكيميائية المتوسطة والكبيرة ، ولكن العيوب تتمثل في انخفاض كثافة الطاقة ودرجة حرارة التشغيل الضيقة النطاق ، لذلك من الصعب تصغيرها أو تطبيقها على مناطق جبال الألب. في المقابل ، تبلغ كثافة الطاقة لبطارية أيون الصوديوم حوالي ثلاثة أضعاف كثافة طاقة بطارية التدفق ، ويمكن أن تتحمل درجة حرارة منخفضة تصل إلى -40 درجة مئوية ، ولكن أمانها الأساسي وعمرها الدوري ليسا بجودة بطارية التدفق. في المستقبل ، من المتوقع أن تكمل بطارية أيون الصوديوم وبطارية التدفق بعضهما البعض في مجال تخزين الطاقة. على سبيل المثال ، أجهزة تخزين الطاقة الصغيرة المنزلية والمتنقلة لها متطلبات أعلى فيما يتعلق بكثافة الطاقة وهي مناسبة لاستخدام بطاريات أيون الصوديوم ؛ تتمتع محطات تخزين الطاقة الكهروكيميائية الكبيرة والمتوسطة الحجم بمتطلبات أعلى للسلامة ومناسبة لاستخدام بطاريات التدفق.
بطارية الصوديوم مقابل حمض الرصاص: استبدل تدريجياً حمض الرصاص التقليدي ، مما أجبر الأخير على الترقية بشكل متكرر
من المتوقع أن تحل بطارية أيون الصوديوم محل بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية بشكل تدريجي ، مما يؤدي إلى تطوير تقنيات جديدة مثل بطاريات الرصاص الكربونية. كان التطبيق الصناعي لبطاريات الرصاص الحمضية أكثر من قرن ونصف ، وكانت الحلقة الصناعية المغلقة الخاصة بـ "الإنتاج والاستهلاك وإعادة التدوير" مكتملة للغاية. وتتمثل المزايا في التكلفة المنخفضة ، وسهولة إعادة التدوير ، والسلامة الجيدة. العيوب هي كثافة الطاقة المنخفضة ، دورة الحياة القصيرة ، الشحن يستغرق وقتًا طويلاً. في الوقت الحاضر ، لا تزال بطاريات الرصاص الحمضية قيد التطوير والتحديث بشكل مستمر. وأكثرها تمثيلا هي "بطارية الرصاص الكربونية" التي تدمج تقنية المكثف الفائق. تبلغ دورة حياتها 3,000 مرة ، ولديها قدرة شحن سريعة ، وتحتفظ بخصائص بطارية الرصاص الحمضية الأصلية. السلامة والمزايا الأخرى ، ولكن يتم تقليل كثافة الطاقة بشكل أكبر ، كما يتم زيادة تكلفة التصنيع وفقًا لذلك. في المقابل ، فإن معظم أداء بطاريات أيون الصوديوم أفضل من بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية. في المستقبل ، مع انخفاض التكلفة بشكل أكبر ، من المتوقع أن تحل محل بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية بشكل تدريجي. في الوقت نفسه ، قد يؤدي ظهور بطارية أيون الصوديوم إلى تسريع عملية الترقية والتكرار من بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية إلى بطاريات الرصاص الكربونية. في المستقبل ، يمكن إعادة إنتاج بطاريات الرصاص الحمضية في شكل بطاريات الرصاص والكربون ، بدلاً من سحبها بالكامل من المرحلة التاريخية. (مصدر التقرير: Report Institute)
حالة صناعة بطاريات الصوديوم
في الوقت الحاضر ، هناك ما يقرب من 30 شركة تعمل في صناعة بطاريات أيونات الصوديوم في جميع أنحاء العالم. نظرًا لأن إيجابيات وسلبيات الطرق التقنية لا تزال غير حاسمة ، ولا يوجد معيار موحد ، فإن المنافسة بين الشركات المختلفة هي في الأساس منافسة الطرق الفنية المختلفة. على الرغم من أن تاريخ البحث عن بطارية أيون الصوديوم يستمر لمدة نصف قرن ، إلا أن تطورها الحقيقي السريع كان في العقد الماضي ، وذلك بفضل الاختراقات المهمة في البحث والتطوير لمواد الأقطاب الكهربائية. نعتقد أن الصناعة ستظل في مرحلة الانتقال من فترة التقديم إلى فترة النمو في السنوات الثلاث المقبلة.
الهيكل الصناعي: يشبه بطاريات الليثيوم أيون
تشبه سلسلة صناعة بطاريات أيون الصوديوم بطاريات الليثيوم أيون ، بما في ذلك المنبع والوسط والمصب. المنبع: توريد المواد الخام وتوليف مواد الإلكترود ، وتشمل المواد الخام الرئيسية رماد الصودا ، ورقائق الألمنيوم ، وخام المنغنيز ، وما إلى ذلك ، بالإضافة إلى المواد المساعدة المختلفة ، بما في ذلك المواد الكيميائية الأساسية والمعادن غير الحديدية وغيرها من الصناعات. منتصف الطريق: تغليف الخلايا ، وبناء نظام البطاريات وتكامله ، وما إلى ذلك ، بما في ذلك المواد الاستهلاكية والمكونات الإلكترونية المختلفة. المصب: أسواق الاستخدام النهائي ، بما في ذلك بشكل أساسي تخزين الطاقة والمركبات الكهربائية منخفضة السرعة.
الشركات الكبرى: هناك أكثر من 20 شركة في العالم ، وتهيمن الشركات الصينية
تم إنشاء الشركات المرتبطة ببطاريات أيون الصوديوم في الداخل والخارج (أو دخلت هذا المجال) بعد عام 2010. في الوقت الحاضر ، هناك أكثر من 20 شركة ذات صلة في العالم ، وتقع بشكل رئيسي في الصين والولايات المتحدة وأوروبا واليابان. معظمهم شركات ناشئة. البحث والتطوير التكنولوجي والتخطيط الاستراتيجي هما أهمها ، ولم يتم تشكيل المقياس بعد.
3.2.1. محليًا: تراكمت Zhongke Haina كثيرًا ، وتولى عصر Ningde الصدارة
تقود أبحاث وتصنيع بطاريات أيونات الصوديوم في بلدي العالم في العالم. يمكن تقسيم الشركات المحلية لبطاريات أيون الصوديوم إلى فئتين: الأولى هي شركة ناشئة تم إنشاؤها بواسطة التكنولوجيا المطورة ذاتيًا لمعاهد البحث العلمي ، التي يمثلها Zhongke Haina ؛ والآخر عبارة عن بطارية ليثيوم أيون ناضجة دخلت الشركات مسار بطاريات أيون الصوديوم للمشاركة في المنافسة ، التي يمثلها عصر Ningde.
تأسست Zhongke Haina في عام 2017 ، وهي أول مؤسسة عالية التقنية في الصين تركز على تطوير وتصنيع بطاريات أيونات الصوديوم. تم احتضانها من قبل معهد الفيزياء والأكاديمية الصينية للعلوم ولديها فريق بحث وتطوير بقيادة الأكاديمي تشين ليكوان والباحث هو يونغ شنغ. ، هي واحدة من شركات البطاريات القليلة التي تمتلك تقنيات أساسية حاصلة على براءة اختراع في جميع مجالات بطاريات أيونات الصوديوم ، وقد أطلقت عددًا من المشاريع التجريبية ، وبدأت في إنشاء أول خط إنتاج على نطاق 1 جيجاوات في الساعة. كمؤسسة تكنولوجية محتضنة من قبل معهد الفيزياء ، الأكاديمية الصينية للعلوم ، تتمتع Zhongke Haina بقدرات ابتكارية قوية ، وقد أتقنت جميع المجالات من البحث الأساسي وتطوير المواد الفعالة إلى الإنتاج الموسع ، من المواد إلى البطاريات ، من الخلايا المفردة إلى البطارية من مكونات البطارية إلى التطبيقات. تكنولوجيا.
تأسست شركة Ben'an Energy في عام 2017 ، وهي مؤسسة متعددة الجنسيات عالية التقنية تعمل بشكل رئيسي في البحث والتطوير وإنتاج بطاريات أيون الصوديوم لأنظمة المياه. تمتلك الشركة مراكز بحث وتطوير عالمية في سنغافورة والصين والولايات المتحدة لإجراء البحوث والتطوير للمواد والخلايا والهياكل الخاصة ببطاريات أيون الصوديوم المائية ؛ الشركات الإقليمية في الصين والولايات المتحدة وأستراليا مسؤولة عن تصنيع مواد البطاريات وأعمال السوق الإقليمية. تركز الشركة على مجال التطبيق لتخزين الطاقة الثابتة. تتميز المنتجات بخصائص السلامة الجوهرية العالية وحماية البيئة وعدم السمية. إنها مناسبة بشكل خاص لمحطات تخزين الطاقة في المناطق الحضرية المكتظة بالسكان ، وهي مناسبة أيضًا لتخطيط البيئة الداخلية ؛ كما أنها مناسبة لعملية الطفو على المدى الطويل. ، يمكن استخدامها على نطاق واسع في نظام الطاقة الاحتياطية الصناعية.
3.2.2. في الخارج: معظمهم شركات ناشئة ذات نطاق صغير وتطلعات مستقبلية قوية
تقع الشركات الأجنبية لبطاريات أيون الصوديوم بشكل رئيسي في البلدان المتقدمة مثل أوروبا وأمريكا واليابان. يتم اعتماد أنظمة المواد والطرق الفنية المختلفة من قبل الشركات. تتمتع معظم هذه الشركات بوقت إنشاء قصير نسبيًا ونطاق إنتاج محدود ، ولكن تقنيتها ذات نظرة مستقبلية للغاية.
تدفع شركة Faradion البريطانية بشكل أساسي كاثودات الأكسيد ذات الطبقات. تأسست الشركة في عام 2011 ، وهي أول مؤسسة تجارية لبطاريات أيون الصوديوم في العالم ، وتحمل حاليًا 31 براءة اختراع لبطاريات أيون الصوديوم ، تغطي مواد البطاريات ، والبنية التحتية للبطاريات ، وسلامة البطاريات والنقل ، وما إلى ذلك. وتركز الشركة بشكل كبير على تكلفة المنتج وكثافة الطاقة. ، مع الهدف النهائي المتمثل في تقديم أداء ليثيوم أيون بسعر حمض الرصاص. في نهاية عام 2021 ، استحوذت شركة Reliance New Energy Solar Limited الهندية (RNESL) على الشركة مقابل 100 مليون جنيه إسترليني ، والتي ستستثمر أيضًا 25 مليون جنيه إسترليني كرأس مال نمو لتسريع الطرح التجاري لبطارية أيون الصوديوم.
تدفع شركة Natron Energy في الولايات المتحدة بشكل أساسي بطارية أيون الصوديوم لنظام المياه. تأسست الشركة في عام 2012 ، وهي مؤسسة تقوم بتطوير وإنتاج بطاريات أيون الصوديوم القائمة على الماء ، وتروج بشكل أساسي لمواد الكاثود الأزرق البروسي. تولي الشركة أهمية كبيرة لسلامة بطاريات أيونات الصوديوم ، ولا تستخدم إلكتروليتات المذيبات العضوية. منتجاتها آمنة للغاية ولها دورة حياة طويلة. كثافة الطاقة أقل قليلاً من تلك الموجودة في بطاريات أيونات الليثيوم ، لكن كثافة الطاقة لا يمكن مقارنتها إلا بكثافة بطاريات الرصاص ، خاصة للكهرباء الساكنة. تطبيقات تخزين الطاقة (محطات الشحن السريع لمراكز البيانات والرافعات الشوكية والمركبات الكهربائية). حاليًا ، تم تسويق بطارية أيون الصوديوم في البداية ، مع تشغيل خط إنتاج تجريبي في سانتا كلارا ، كاليفورنيا. الهدف التالي هو توسيع الإنتاج وتشكيل سلسلة صناعة بطاريات أيون الصوديوم.
التطوير المستقبلي: إفساح المجال كاملاً لتوافر الموارد والميزة النسبية لكهرباء الصوديوم
المشاكل الحالية: مواد رديئة ، تكاليف عالية ، معايير غير محددة
4.1.1. يحتاج بحث المواد إلى مزيد من التعزيز: آلية الكربون الصلب ، وتحسين الأداء ، وتقييم السلامة
في الوقت الحاضر ، لا يزال هناك العديد من الخلافات حول آلية تخزين الصوديوم للكربون الصلب في الأوساط الأكاديمية ، ولم يتم توضيحها بالكامل. من أجل تحسين عيوب أنود الكربون الصلب الموجود ، مثل كفاءة الدورة الأولى المنخفضة ، من الضروري أن نفهم بعمق الآلية الحركية لتخزين الصوديوم الخاص به وأن نقدم التوجيه النظري الأساسي للبحث والتطوير التكنولوجي. لا يزال هناك مجال كبير لتحسين خصائص المواد لبطارية أيون الصوديوم الحالية. بشكل عام ، كثافة الطاقة لبطارية أيون الصوديوم الحالية بعيدة عن القيمة النظرية ، كما يحتاج أداء دورتها إلى مزيد من التحسين. من ناحية ، التحسين المستمر للمواد الفعالة مطلوب. من ناحية أخرى ، يجب أيضًا النظر في تصميم النظام الشامل والإدارة المتكاملة. تتطلب السلامة التشغيلية الفعلية لبطارية أيون الصوديوم تقييمًا دقيقًا. في الوقت الحالي ، تجري تجربة اختبار الأمان لبطارية أيون الصوديوم على مستوى الخلية. تظهر النتائج أنه على الرغم من أن مستوى الأمان مرتفع ، إلا أن السلامة بعد التشغيل الفعلي تحتاج إلى ملاحظة عاجلة ، وليس من المستحسن أن تكون متفائلاً بشكل أعمى. على وجه الخصوص ، سيطلق القطب الموجب الأزرق البروسي غازات عالية السمية مثل حمض الهيدروسيانيك والسيانيد في حالة الانفلات الحراري.
4.1.2. لا يزال يتعين تحقيق ميزة التكلفة: لا غنى عن البحث والتطوير التكنولوجي ووفورات الحجم
يعتمد خفض تكلفة بطارية أيون الصوديوم على تقليل التكاليف المتغيرة من خلال التكرار التكنولوجي المستمر وتخفيف التكاليف الثابتة من خلال الإنتاج الضخم. من الناحية النظرية ، تتمتع بطارية أيون الصوديوم بميزة تكلفة كبيرة للمواد ، لكن التكلفة الإجمالية الفعلية للمنتج الحالي تزيد عن 1 يوان / واط ، وهو أعلى من تكلفة فوسفات حديد الليثيوم. تأثير المقياس. من ناحية أخرى ، لم يتم توحيد أنواع مواد الإلكترود وعمليات التصنيع ، كما تفتقر السلائف أيضًا إلى سلسلة إمداد مستقرة وموثوقة ، مما يؤدي إلى انخفاض إنتاجية مواد الإلكترود واتساقها وارتفاع التكاليف الفعلية. تحسينات الاستكشاف التكنولوجي. من ناحية أخرى ، فإن سعر معدات الإنتاج مرتفع وخسارة الاستهلاك كبيرة ، حيث تمثل حوالي 20 ~ 30 ٪ من تكلفة التصنيع ، والتي لا يمكن تخفيفها إلا عن طريق الإنتاج الضخم.
4.1.3. المعايير الفنية التي سيتم وضعها: توحيد نظام السوق وتعزيز التنمية الصحية
تحتاج صناعة بطاريات أيونات الصوديوم إلى إنشاء معيار علمي موحد لتنظيم أنشطة الإنتاج للمؤسسات وتعزيز التنمية الصحية والمنظمة للصناعة. في هذه المرحلة ، تختلف الطرق التقنية للمصنعين المشاركين في البحث والتطوير وإنتاج بطاريات أيون الصوديوم ، وهناك جدل كبير حول أيهما أفضل. في الوقت الحالي ، يشير المصنّعون بشكل أساسي إلى بطاريات أيونات الليثيوم ، جنبًا إلى جنب مع خصائص بطاريات أيون الصوديوم والتطوير الصناعي ، لصياغة معايير أو مواصفات المنتج المناسبة لشركاتهم ، واستخدام هذا لتوجيه تصميم المنتج وعمليات التصنيع لضمان إنتاجية المنتج والاتساق. نتيجة لذلك ، فإن أداء المنتج والمستوى الفني للمؤسسات المختلفة غير متساويين. يمكن للصياغة الموحدة للمعايير التقنية للصناعة أن تلعب دورًا أفضل في قيادة الصناعة وهي ضمان ضروري لتحقيق وفورات الحجم. على وجه الخصوص ، تعد معايير السلامة أساسًا مهمًا لتقييد جودة المنتج ووسيلة مهمة لتنظيم نظام السوق وتعزيز التنمية الصحية والمستدامة للصناعة.
آفاق التكنولوجيا: تعزيز السلامة والطاقة النوعية العالية
4.2.1. بطارية أيون الصوديوم المائية: بطارية أيون الصوديوم آمنة جوهريًا
يمكن أن يؤدي استبدال الإلكتروليتات العضوية بالإلكتروليتات المائية إلى تحسين سلامة بطاريات أيون الصوديوم بشكل أساسي. تواصل بطارية أيون الصوديوم الحالية نظام الإلكتروليت العضوي لبطارية الليثيوم أيون ، لذلك من المستحيل تجنب خطر الاحتراق بشكل أساسي. إذا تم استبداله بمحلول مائي ، فلن يؤدي ذلك فقط إلى تحسين الأمان بشكل كبير ، ولكن أيضًا يبسط عملية الإنتاج ، مع تقليل عملية الإنتاج. التلوث البيئي. في الوقت الحالي ، تم الإبلاغ عن عدد كبير من حلول نظام بطاريات أيون الصوديوم القائمة على الماء ، من بينها النظام الأزرق البروسي الذي يتمتع بأفضل أداء دورة ، وبدأت محاولات التصنيع. تشمل الشركات التمثيلية Natron Energy و Ben'an Energy. على المدى الطويل ، تعتبر بطارية أيون الصوديوم المائية اتجاهًا واعدًا للغاية ، خاصةً لتخزين الطاقة.
4.2.2. بطارية أيون الصوديوم الصلبة: بطارية أيون الصوديوم عالية الكثافة للطاقة
يمكن أن يؤدي استبدال الإلكتروليتات العضوية السائلة بمواد إلكتروليت صلبة إلى إنتاج بطاريات أيون الصوديوم ذات الحالة الصلبة. نظرًا لتجنب المذيبات العضوية القابلة للاشتعال والانفجار ، تم تحسين سلامة البطارية بشكل كبير ، وتم توسيع النافذة الكهروكيميائية بشكل كبير ، مما يجعل من الممكن استخدام مواد الكاثود عالية الإمكانات وأنودات الصوديوم المعدنية ، وبالتالي تحسين الطاقة بشكل كبير كثافة البطارية بأكملها. . بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لحاجز الإلكتروليت الصلب الصلب بين الأقطاب الموجبة والسالبة ، لم يعد من الضروري إنشاء فاصل منفصل ، ومع عملية القطب ثنائي القطب ، يمكن تحسين كثافة طاقة النظام للبطارية. تواجه هذه المواد حاليًا مشاكل مثل التوصيل في درجة حرارة الغرفة المنخفضة ومقاومة عالية للواجهة ، وسيستغرق تصنيعها وقتًا طويلاً.
4.2.3. أنود متعدد الضيف المشترك: الجرافيت كأنود عالمي
يمكن أن يحقق أنود الجرافيت أيضًا إقحامًا فعالًا وإزالة تداخل أيونات الصوديوم المعقدة في "تفاعل الإقحام المشترك متعدد الضيوف". نظرًا لأن ΔG> 0 من تفاعل إقحام أيون الجرافيت الصوديوم ، فمن الصعب على أيونات الصوديوم أن تقطع بشكل فعال بين طبقات الجرافيت في مذيبات الكربونات ، لذلك من الصعب استخدام أقطاب الجرافيت السالبة. في الواقع ، في مذيبات الأثير ، تشكل أيونات الصوديوم روابط تنسيق مع ذرات أكسجين الأثير ، والتي يمكن إدخالها بشكل مشترك بين طبقات الجرافيت في شكل أيونات التنسيق. هذا "رد فعل الإدراج المشترك متعدد الضيوف" له أهمية تنويرية مهمة. من ناحية أخرى ، هذا يعني أنه يمكن أيضًا استخدام قطب الجرافيت السالب كقطب سالب لبطارية أيون الصوديوم ، وبالتالي مشاركة خط إنتاج المواد مع بطارية أيون الليثيوم ، مما يؤدي إلى خفض التكلفة على نطاق واسع. من ناحية أخرى ، يفتح هذا إمكانية تصميم جيل جديد من بطاريات الأيونات متعددة الشحن. ومع ذلك ، فإن إلكتروليتات الأثير لها ثبات ضعيف وعرضة للتفاعل مع القطب الموجب ، الأمر الذي يتطلب مزيدًا من البحث المتعمق
