Teknisk introduktion: Natriumionbatteri tidligere og nu
Grundlæggende begreber og historisk baggrund: lithiumbatteriernes "tvillingbror".
I de senere år er udviklingen af ren energi blevet konsensus i de fleste lande i verden. mit land har endda fremsat det store mål om "kulstoftop og kulstofneutralitet". Ren energiproduktionsteknologier såsom solenergi, vindenergi og tidevandsenergi er blevet udviklet hurtigt. Det har karakteristika af intermitterende, tilfældig og stærk geografisk afhængighed. For at løse tids- og rumbegrænsningerne ved ny energiproduktion og forbedre udnyttelsesgraden af ny energi er vigtigheden af energilagringsteknologi blevet stadig mere fremtrædende. Ifølge konverterings- og lagringsmetoderne for elektrisk energi er energilagringsteknologier opdelt i fysisk energilagring, kemisk energilagring og elektrokemisk energilagring. Blandt dem omfatter elektrokemisk energilagring sekundær batteriteknologi og superkondensatorer, som har karakteristika af høj energikonverteringseffektivitet og hurtig responshastighed. Især den sekundære batteriteknologi har også fordelene ved høj energitæthed og nem modularisering.
Sekundært batteri, også kendt som genopladeligt batteri eller akkumulator, er en enhed, der udnytter reversible kemiske reaktioner og kan gentagne gange oplades og aflades for at konvertere elektrisk energi og kemisk energi til hinanden for at opnå energilagring. Et sekundært batteris evne til at lagre energi udtrykkes ved energitæthed (også kaldet specifik energi), det vil sige den samlede energi, der kan udsendes af batteriet pr. enhed masse eller volumen, som er produktet af den specifikke kapacitet og gennemsnitlig afladningsspænding. Den specifikke kapacitet er teoretisk bestemt af molmassen af de stoffer, der deltager i elektrodereaktionen og antallet af opnåede og tabte elektroner. Derfor, jo større ladnings-til-masse-forholdet er for ladebæreren, jo større er batteriets teoretiske specifikke kapacitet. Teoretisk er udladningsspændingen hovedsageligt bestemt af potentialforskellen og indre modstand af de positive og negative materialer. Derfor, jo højere det positive elektrodepotentiale, jo lavere det negative elektrodepotentiale, og jo mindre batteriets indre modstand, desto større er afladningsspændingen. For det andet skal ladebæreren have god transportkapacitet og kinetisk aktivitet, hvilket direkte påvirker batteriets hastighedskapacitet og effekttæthed. Endelig bestemmer faktorer som reversibiliteten af elektrodereaktioner og sidereaktioner cyklusydelsen og levetiden for sekundære batterier. Alkalimetaller repræsenteret ved lithium har det laveste redoxelektrodepotentiale, stort ionladning-til-masseforhold og lav desolvationsenergi, så de er blevet prøvet som anodematerialer til sekundære batterier allerede i 1960'erne. Tidlige lithium-ion-batterier brugte metallithium eller lithiumlegering som den negative elektrode, og overgangsmetalhalogenider (såsom AgCl, CuCl, NiF2 osv.) som den positive elektrode, men sådanne positive elektrodematerialer har dårlig ledningsevne, lette at opløse, og mængden af ladning og afladning ændrer sig drastisk, og det er svært at løse. I slutningen af 1960'erne blev overgangsmetal-chalcogenid-forbindelser repræsenteret af TiS2 fundet at have interlayer- og deintercalation-egenskaber, som kan bruges som katodematerialer til lithium-ion-batterier og har høj elektrisk ledningsevne og elektrokemisk reaktivitet. 2.2 V, med praktisk værdi. Men den høje aktivitet af metallithium gør batteriulykken hyppig, hvilket tvinger folk til at bruge lithiuminterkalationsforbindelser (såsom lithiuminterkalationsgrafit) som den negative elektrode. Dette er konceptet med "gyngestolsbatteri": Brug af forbindelser med lavt interkalationspotentiale som negative elektroder, høj Interkalationspotentialeforbindelsen fungerer som den positive elektrode og undgår problemet med alkalimetaldendritter. Da potentialet for den negative elektrode af lithium-interkalationsforbindelsen er højere end for metallets lithium, reduceres batteriets samlede spænding og energitæthed, hvilket tvinger folk til at søge efter nye positive elektrodematerialer og har successivt opdaget positiv elektrode materialer som lithiumcobaltat, lithiummanganat og lithiumjernfosfat. .
Omkostningerne og hastighedsevnen for natriumionbatterier har fordele i forhold til lithiumionbatterier. Natrium og lithium er i samme familie i det periodiske system, har det samme antal valenselektroner og har mere aktive kemiske egenskaber. Fordi atommassen og radius af natrium er meget større end lithiums, er energitætheden af natriumionbatterier naturligvis vanskelig at sammenligne med lithiumionbatterier, men den naturlige overflod af natrium er rigelig. Graden af tæthed er mere end tusind gange så stor som lithium, og opløsningsenergien for natriumioner er meget lavere end for lithiumioner. Natrium-ion-batteriet kom ud i 1970'erne næsten samtidig med lithium-ion-batteriet, men forskningsprocessen for de to er lidt anderledes. Det sekundære natriumbatteri, der først dukkede op på det tidspunkt, var et natrium-svovlbatteri, med elementært svovl og metallisk natrium som de positive og negative elektroder, β-aluminiumoxid hurtigionleder som den faste elektrolyt, og arbejdstemperaturen var 300 ~ 350 ° C. Dette højtemperatur-natrium-svovl-batteri har en høj energitæthed (150~240Wh/kg) og en cykluslevetid på 2500 gange, mens det tilsvarende lithium-svovlbatteri har en cykluslevetid på mindre end 10 gange. For at forbedre sikkerheden ved natrium-sekundære batterier er der udviklet natriumion-batterier ved stuetemperatur, der bruger en lignende idé som lithium-ion-batterier, katodematerialet har gennemgået lagdelt overgangsmetalsulfid (TiS2) til lagdelt oxid (NaxCoO2) ) og fosfat (Na3M2(PO4)3, M er et overgangsmetal). Men i slutningen af 1980'erne var forskningen på natriumionbatteri kold, og relateret forskning stoppede næsten. Der er tre grunde til dette: For det første er det svært at finde et passende anodemateriale (grafit, der kan opbevare lithium effektivt i esteropløsningsmidler, er vanskeligt at opbevare natrium); for det andet er forskningsbetingelserne begrænsede (vand- og iltindholdet i systemet er højt, og det er vanskeligt at bruge metal. Natrium blev brugt som benchmarkelektrode til materialeevalueringseksperimenter); for det tredje kom lithium-ion-batterier ud på toppen (et stort antal forskere forankrede retningen på lithium-ion-batterier).
Indtil det 21. århundrede indledte natriumionbatteriet et vendepunkt. I 2000 blev det fundet, at det hårde kulstofmateriale opnået ved pyrolyse af glucose har en specifik natriumlagringskapacitet så høj som 300 mA h/g, hvilket giver et afgørende anodemateriale til natriumionbatterier. I 2007 blev polyanionkatodematerialet Na2FePO4F fundet, og volumendeformationshastigheden af dette materiale var kun 3.7%, næsten uden belastning. Fra 2000 til 2010 var forskningshastigheden for natriumionbatteri relativt langsom, hovedsageligt koncentreret i nogle få eksperimentelle hold. Efter 2010 er forskningen på natriumionbatteri gået ind i foråret, og nye materialesystemer er dukket op, og de forsøger gradvist at industrialisere.
Arbejdsprincip og materialer: ligner lithium-batterier
Arbejdsprincippet for natriumionbatteri er nøjagtigt det samme som for lithiumionbatteri, det vil sige under en vis potentiel tilstand, den reversible desorption og interkalation af gæstealkalimetalioner i værtsmaterialet, hvor det højere interkalationspotentiale anvendes som den positive elektrode, og det lavere interkalationspotentiale bruges som den positive elektrode. Den negative elektrode, hele batteriets opladnings- og afladningscyklus er den retningsbestemte migrationsproces af alkalimetalioner mellem de positive og negative elektroder. Batteriet med denne arbejdsmekanisme er "gyngestolsbatteriet" foreslået af M. Armand. Sammensætningsstrukturen af natriumionbatteri er nøjagtig den samme som for lithiumion, hovedsageligt inklusive positiv elektrode, negativ elektrode, elektrolyt, separator og strømopsamler. Alt efter om materialeværten deltager direkte i den elektrokemiske reaktionsproces, kan de opdeles i aktive materialer og inaktive materialer.
Aktive materialer: positiv elektrode, negativ elektrode, elektrolyt
De aktive materialer i natriumionbatterier omfatter positivt elektrodemateriale, negativt elektrodemateriale og elektrolytmateriale, som direkte deltager i den elektrokemiske reaktion og dermed bestemmer batteriets iboende egenskaber. Da natriumioners radius og elektroniske struktur er ret forskellige fra lithiumioners, er reaktionernes termodynamiske og kinetiske adfærd ret forskellige, så forskning og udvikling af aktive materialer til natriumionbatterier kan ikke fuldt ud efterligne lithiumionbatterier.
(1) Katodemateriale: oxid, preussisk blå, polyanion tre hovedlinjer
Det positive elektrodemateriale gennemgår en oxidationsreaktion under opladning og en reduktionsreaktion under afladning og har generelt et højt reduktionspotentiale. Det ideelle katodemateriale skal opfylde kravene til højt reduktionspotentiale (men skal være lavere end elektrolyttens oxidationspotentiale), stor reversibel kapacitet, stabil cyklusydelse, høj elektronisk og ionisk ledningsevne, stabil struktur og ikke bange for luft, høj sikkerhed , og lav pris. For natriumionbatterier er den teoretiske specifikke kapacitet af de eksisterende katodematerialer relativt lav, så det bliver en af hoveddeterminanterne for batteriets samlede kapacitet. På nuværende tidspunkt er katodematerialerne i natriumionbatterier hovedsageligt opdelt i fem typer: oxider, polyanioner, preussisk blå, fluorider og organiske forbindelser. De tre første typer har den højeste modenhed og er gået ind i det tidlige stadium af industrialiseringen. .
Oxider: den mest modne teknologi, høj specifik kapacitet og de mest udbredte typer
Oxidbaserede katodematerialer er generelt overgangsmetaloxider, hovedsageligt inklusive lagdelte oxider og tunneloxider. Forskningen i lagdelte oxider er den tidligste og mest omfattende. Sammenlignet med lithium-ion-batterier har lagdelte oxidkatoder med kun tre elementer, Mn, Co og Ni, reversibel elektrokemisk aktivitet. Na-ion-batterier har et bredere udvalg. Den fjerde cyklus Overgangsmetallerne fra Ti til Ni har høj aktivitet, og deres arbejdsmekanismer er mere komplicerede, ofte ledsaget af multifaseovergangsadfærd. Den generelle formel for lagdelte oxider er NaxMO2, hvor M er et overgangsmetal. De almindelige strukturelle typer omfatter hovedsageligt O3 type og P2 type. Førstnævnte har højere specifik kapacitet, men dårlig hastighed og cyklusydelse; sidstnævnte har bedre hastighed og cyklus ydeevne. , men den faktiske specifikke kapacitet er lidt lavere. Derudover har lagdelte oxider tendens til at være modtagelige for hygroskopisk hydrolyse i luft. På dette stadium har lagdelte oxider høj energitæthed og moden præparationsteknologi og forventes at tage føringen i industrialiseringen, især lagdelte oxider af P2-typen med bedre stabilitet. Oxider af tunneltypen har en tredimensionel porestruktur og findes ofte i oxider med lavt natriumindhold. De har fremragende cykling og hastighedsydelse og er stabile over for vand og ilt, men deres specifikke kapacitet er for lav. I fremtiden kan tunneloxider have potentielle konkurrencefordele i forskning og udvikling af natriumrige katoder og vandige natriumionbatterier.
Preussisk blå: lave materialeomkostninger, høj specifik kapacitet, høje tekniske barrierer
Preussiske blå katodematerialer er overgangsmetalcyanid-koordinationspolymerer med den generelle formel AxM1 [M2 (CN)6]1-y·□y·nH2O, hvor A er en alkalimetalion, M1 og M2 er overgangsmetalioner (koordineret til N og C, henholdsvis), □ er en [M2(CN)6] ledig stillingsdefekt. På grund af den unikke elektroniske struktur af cyanid-dobbeltkoordination og det åbne tredimensionelle rum har materialet fordelene ved stabil struktur, hurtig interkalations- og deinterkalationshastighed og stor specifik kapacitet. Derudover er kerneovergangsmetallerne i sådanne materialer hovedsageligt billige metaller såsom Fe og Mn, og råmaterialerne er let tilgængelige og lave omkostninger. I praktiske applikationer vil gittervandindholdet (inklusive krystalvand og adsorberet vand) og tomgangsdefekttætheden af materialet imidlertid begrænse batteriets ydeevne alvorligt, hvilket resulterer i en reduktion af dets kapacitetsudnyttelse, energieffektivitet og cykluslevetid. Det er værd at nævne, at for nylig fandt forskere ud af, at natriumionbatteriet, der anvender preussisk blå katodemateriale, vil frigive meget giftig hydrogencyanid og cyanidgas under termiske løbske forhold, og den termiske nedbrydningsmekanisme er tæt forbundet med gittervand og tomgangsdefekter. Nært beslægtet kan det ses, at denne teknologi stiller højere krav til materialekvalitet. Derudover involverer fremstillingen af dette materiale meget giftigt natriumcyanid, hvilket kræver særlige kvalifikationer i produktion og levering.
Polyanioner: den bedste sikkerhed, for lav specifik kapacitet, høje materialeomkostninger
Polyanion-baserede katodematerialer refererer til natriumholdige dobbeltsalte, hvis krystalramme er konstrueret af en række tetraedriske og polyhedriske anionenheder med den generelle formel NaxMy(XaOb)zZw. hvor M er en kation, såsom overgangsmetal eller jordalkalimetal, X er et stærkt elektronegativt grundstof, såsom phosphor eller svovl, og Z er en anion, såsom fluor eller hydroxid. De anioniske polyedriske enheder af denne type materiale har stærk kovalent binding, så krystalstrukturen er meget stabil, og dens kemiske stabilitet, termiske stabilitet og elektrokemiske stabilitet er høj, så den har god cykluslevetid og sikkerhed. , og dens spændingsplatform har tendens til at være bred. For det andet har overgangsmetalioners valenselektroner en høj grad af lokalisering, og denne elektroniske struktur kan nemt udnytte den induktive effekt af stærkt elektronegative elementer til at forbedre materialets arbejdsspænding. Men på grund af dens brede båndgab karakteristik er den iboende elektroniske ledningsevne meget lav, hvilket i høj grad begrænser dens hastighedsevne og skal modificeres ved at tilføje ledende midler eller nanoskala. Derudover er den specifikke kapacitet af dette materiale generelt lav. På nuværende tidspunkt er de mest typiske polyanioniske materialer hovedsageligt fosfater, repræsenteret af olivin-type NaFePO4 og NASICON-type Na3V2(PO4)3. Strukturen af NaFePO4 er den samme som for lithiumjernphosphat, men syntesen skal baseres på en kompleks ionbytningsmetode, og omkostningerne er høje. Na3V2(PO4)3 har fremragende hastighedsydelse og cykluslevetid, men den specifikke kapacitet er lavere end for materialer af olivintypen. Derudover er nye polyanioniske materialer som pyrophosphat, sulfat og molybdat også under undersøgelse. Disse systemer har forbedret driftsspænding og hastighedsydelse, men der er stadig mange problemer såsom lav faktisk specifik kapacitet og dårlig cyklus reversibilitet. defekt.
Fluorer: relativt billige materialer, vanskelige til praktiske
Overgangsmetalfluorider har høje reduktionspotentialer svarende til oxider, og interkalation og deinterkalation af natriumioner kan opnås gennem valenskonvertering af overgangsmetalioner, så de er også potentielle katodematerialer. Det største problem ved denne type materiale er, at resistiviteten er for høj, hvilket alvorligt påvirker dets hastighedsydelse, og den faktiske specifikke kapacitet er generelt lav. Indtil videre er fluormaterialerne med større specifik kapacitet jernbaserede fluorider, typisk repræsenteret ved NaFeF3 (faktisk 128mAh/g, teoretisk 197mAh/g). Derudover har nogle hydrerede jernfluoridmaterialer høj specifik kapacitet, såsom Fe2F5 H2O (initial 251 mAh/g), men cyklusydelsen er stadig dårlig.
Organiske forbindelser: ikke afhængig af mineralressourcer, stadig i forskningsstadiet
Visse organiske forbindelser med rigelige konjugerede systemer og ensomme elektronpar kan gennemgå reversible redoxreaktioner, så de kan også bruges til at udvikle katodematerialer. Fordelene ved denne type materiale er, at det ikke behøver at stole på overgangsmetalressourcer, og dets struktur og egenskaber er lette at designe og kontrollere, så det har et vist potentiale. Der er dog stadig væsentlige defekter på dette stadium: ledningsevnen er generelt lav, og den er tilbøjelig til opløsning. På nuværende tidspunkt er der hovedsageligt konjugerede systemledende polymerer (såsom modificeret polyanilin, polypyrrol osv.), konjugerede carbonylforbindelser (såsom aromatiske derivater af natriumphenat, natriumcarboxylat) og lignende.
(2) Anodematerialer: kulstofbaserede materialer er de mest modne og forventes at tage føringen i industrialiseringen
Det negative elektrodemateriale gennemgår en reduktionsreaktion under opladning og en oxidationsreaktion under afladning og har generelt et lavere reduktionspotentiale. Det ideelle katodemateriale skal opfylde kravene til lavt reduktionspotentiale (men skal være højere end afsætningspotentialet for metallisk natrium), stor reversibel kapacitet, stabil cyklusydelse, høj elektronisk og ionisk ledningsevne, stabil struktur og ikke bange for luft, høj sikkerhed og lav pris. For et natriumionbatteri spiller det negative elektrodemateriale en vigtig rolle i belastning og frigivelse af natriumioner, hvilket direkte påvirker batteriets overordnede dynamiske ydeevne, såsom hastighedsydelse, effekttæthed osv. På nuværende tidspunkt er anodematerialerne af natrium ionbatterier er hovedsageligt opdelt i fem typer: kulstofbaserede materialer, titaniumbaserede materialer, legeringsmaterialer, organiske forbindelser og andre systemer. Blandt dem har kulstofbaserede materialer den højeste teknologiske modenhed og er rige på ressourcer og forventes at tage føringen i realiseringen af industrialiseringen. lave om.
Kulstofbaserede materialer: blødt kulstof og hårdt kulstof har deres egne fordele, og grafit negative elektroder er stadig under undersøgelse
I henhold til kulstofatomernes mikrostruktur er kulstofbaserede anodematerialer opdelt i grafitbaserede materialer, amorfe kulstofmaterialer og nanokulstofmaterialer. Til forskel fra andre alkalimetalioner er det vanskeligt for natriumioner effektivt at interkalere mellem grafitlag i carbonatopløsningsmidler, hvilket hovedsageligt skyldes ΔG>0 af natriumion-grafit interkalationsreaktionen. Derfor er grafit-anoden, som er meget brugt i lithium-ion-batterier, svær at bruge i natrium-ion-batterier med karbonat som opløsningsmiddel. Faktisk kan grafit i etheropløsningsmidler også effektivt indsætte og fjerne natriumioner, men elektrolyttens stabilitet er svækket, og det er let at reagere med den positive elektrode, hvilket kræver yderligere undersøgelse. Amorfe kulstofmaterialer har høj specifik natriumlagringskapacitet og er også de anodematerialer, der er tættest på industrialisering på nuværende tidspunkt. Ifølge vanskeligheden ved varmebehandlingsgrafitisering er det opdelt i blødt kulstof og hårdt kulstof. Blødt kul kan grafitiseres fuldstændigt ved temperaturer over 2800 °C, og hårdt kul er også svært at grafitisere ved høje temperaturer. Forskellen mellem blødt og hårdt kulstof ligger i de tværbindende vekselvirkninger mellem kulstoflagene i mikrostrukturen, som er grundlæggende afhængig af strukturen og formen af den anvendte forkolningsprækursor. Generelt har termoplastiske prækursorer (petrokemiske råmaterialer og biprodukter) tendens til at danne blødt kul, mens termohærdende prækursorer (biomasse, harpikspolymerer osv.) har tendens til at danne hårdt kulstof. Relativt set er fremstillingsomkostningerne for blødt kul lavere, processen er let at kontrollere, men den specifikke kapacitet er ikke så god som for hårdt kul; den specifikke kapacitet af hårdt kul er højere, men effektiviteten af den første cyklus er ofte lavere, og dens ydeevne afhænger af det anvendte prækursor og behandlingen. proces, er kulstofudbyttet lavt. Det er værd at nævne, at natriumlagringsmekanismen for hårde kulstofmaterialer stadig ikke er helt forstået, og der er stadig meget plads til forbedring. Kulstofnanomaterialer omfatter hovedsageligt grafen og kulstofnanorør, og natriumioner lagres hovedsageligt på overfladen og defekter ved adsorption. Den teoretiske specifikke kapacitet af disse materialer er stor, men den første uges Coulombic effektivitet er lav, reaktionspotentialet er højt, og prisen er høj. dyrt.
Titaniumbaserede materialer: unikke potentielle fordele, vanskelige at kommercialisere på kort sigt
Reduktionspotentialet for tetravalent titan er generelt lavt, dets forbindelser er luftstabile, og titaniumforbindelser med forskellige krystalstrukturer har forskellige natriumlagringspotentialer, så de bruges til at udvikle anodematerialer. På nuværende tidspunkt er titanium-baserede materialer hovedsageligt nogle titaniumoxider og polyanioniske forbindelser. Oxider omfatter lagdelte Na2Ti3O7, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 og spinel-type Li4Ti5O12 (også brugt i lithium-ion batteri negative elektroder) osv. Polyanioniske forbindelser omfatter ortogonal NaTiOPO4, NASICON type af NaTi2(PO4)3. Den specifikke kapacitet af disse materialer er generelt ikke høj, men de har mange unikke fordele. For eksempel er Li4Ti5O12 et belastningsfrit materiale, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 kan fungere som både positive og negative materialer, og NaTi2(PO4)3 kan Til vandbaseret natriumionbatteri.
Legeringsmaterialer: enorm teoretisk specifik kapacitet, tekniske vanskeligheder, der skal overvindes
Metalnatrium kan danne legeringer med Sn, Sb, In og andre metaller og kan bruges som den negative elektrode på et natriumionbatteri, som ligner den siliciumbaserede negative elektrode på et lithiumionbatteri. Fordelene ved denne type materiale er høj teoretisk specifik kapacitet og lavt reaktionspotentiale, så det forventes at fremstille natriumionbatterier med høj energitæthed og høj spænding. Imidlertid er reaktionskinetikken for disse materialer dårlig, og volumenændringen før og efter natriumde-interkalation kan nå flere gange. Med den enorme belastning er det aktive materiale let at falde af overfladen af strømaftageren, og den specifikke kapacitet falder hurtigt.
Organiske forbindelser: milde synteseforhold, stadig på forskningsstadiet
Fordelene og ulemperne ved organiske anodematerialer svarer til dem ved organiske katodematerialer. De nuværende typer omfatter hovedsageligt carbonylforbindelser, Schiff-baseforbindelser, organiske radikalforbindelser og organiske sulfider, som stadig er i laboratorieforskningsstadiet.
Andre systemer: V- og VI-forbindelser, for det meste overgangsmetaller, er stadig på forskningsstadiet
Nogle overgangsmetaloxider, sulfider, selenider, nitrider og phosphider har også elektrokemisk aktivitet til reversibel natriumlagring. Sådanne materialer er ofte ledsaget af omdannelsesreaktioner og legeringsreaktioner, så deres teoretiske specifikke kapacitet kan overstige de tilsvarende legeringsanodematerialer, men også mere tekniske problemer.
(3) Elektrolytmateriale: hovedsagelig flydende elektrolyt, formen er den samme som lithiumbatteriets
Elektrolyt er en bro til materialeoverførsel mellem positive og negative elektroder. Det bruges til at transportere ioner for at danne en lukket sløjfe. Det er en vigtig garanti for at opretholde elektrokemiske reaktioner. Det påvirker ikke kun batteriets hastighed, cykluslevetid, selvafladning og anden ydeevne af batteriet, men bestemmer også batteriets stabilitet og sikkerhed. et af kerneelementerne i seksualitet. I henhold til den fysiske form kan elektrolytten af natriumionbatteri opdeles i flydende elektrolyt og fast elektrolyt.
Flydende elektrolyt: Ligesom lithiumbatterier bliver lithiumsalte til natriumsalte
Flydende elektrolytter omtales ofte som elektrolytter og består generelt af opløsningsmidler, opløste stoffer og tilsætningsstoffer. Da den øvre grænse for det elektrokemiske vindue af vand ikke overstiger 2V, er opløsningsmidlet et polært aprotisk organisk opløsningsmiddel, som ikke kun kan opløse en stor mængde natriumsalte, men heller ikke kan frigive protonbrint og også har en vis anti- oxidations-reduktionsevne. Har en lavere viskositet. Derfor bruges karbonater med høj dielektrisk konstant og høj viskositet generelt i kombination med ethere med lav dielektrisk konstant og lav viskositet, så elektrolytten er meget brandfarlig. Opløste stoffer er hovedsageligt natriumsalte med anioner med stor radius, som er opdelt i uorganiske natriumsalte og organiske natriumsalte. Natriumsalte osv. Generelt er organiske natriumsalte mere stabile, mens uorganiske natriumsalte er billigere. For øjeblikket forventes at opnå industriel anvendelse hovedsageligt natriumhexafluorphosphat, som har relativt bedste ledningsevne, men er meget følsomt over for vand. Indholdet af additiver i elektrolytten er mindre end 5%, hovedsageligt nogle forbindelser såsom natriumsalte, estere, nitriler, ethere osv., som spiller en rolle i at hjælpe med dannelsen af SEI-film og CEI-film, overladningsbeskyttelse og flamme retarderende.
Solid-state elektrolyt: til solid-state natrium-elektricitet, stadig i forskningsstadiet
Faststofelektrolytmaterialer omfatter hovedsageligt tre typer: uorganiske faststofelektrolytter, polymerfaststofelektrolytter og sammensatte faststofelektrolytter. På grund af undgåelse af brandfarlige og eksplosive organiske opløsningsmidler er batteriets sikkerhed blevet væsentligt forbedret, og det elektrokemiske vindue er blevet kraftigt udvidet, hvilket gør det muligt at anvende højpotentiale katodematerialer og metalnatriumanoder, hvilket i høj grad forbedrer energien. tætheden af hele batteriet. . På grund af den stive faste elektrolytbarriere mellem de positive og negative elektroder er der desuden ikke længere behov for en separat separator, og med den bipolære elektrodeproces kan batteriets systemenergitæthed forbedres yderligere. Sådanne materialer står i øjeblikket over for problemer såsom lav stuetemperaturledningsevne og høj grænsefladeimpedans, og deres industrialisering vil tage tid.
1.2.2. Inaktive materialer: membraner, strømaftagere, ledende midler, bindemidler
De inaktive materialer i natriumionbatteriet omfatter hovedsageligt membraner, strømaftagere, ledende midler, bindemidler osv. De deltager ikke direkte i den elektrokemiske reaktion, men er væsentlige hjælpematerialer, og deres forenelighed med aktive materialer og andre faktorer vil have en væsentlig indflydelse på batteriets ydeevne.
(1) Membran: fælles for lithium-ion-batterier
Separatorens funktion er fysisk at adskille de positive og negative elektroder for at undgå direkte kontakt og reaktion mellem de to, og samtidig sikre infiltration og indtrængning af opløsningsmiddelmolekyler, hvilket muliggør hurtig passage af solvatiserede natriumioner. Det ideelle separatormateriale bør have god elektronisk isolering og ionisk ledningsevne, høj mekanisk styrke og så tynd som muligt, høj kemisk inerthed (hverken reagere med elektrolyt, eller reagere med positive og negative elektroder), og god termisk stabilitet sex. Polyolefinpolymerseparatorer, såsom PE, PP og kompositfilm, er meget udbredt i lithium-ion-batterier, og disse separatormaterialer kan direkte transplanteres ind i natriumion-batterisystemet. I fremtiden vil membranmaterialet ikke længere være påkrævet i et helt solid state-natriumionbatterisystem.
(2) Strømaftager: både positive og negative elektroder er lavet af aluminiumsfolie
Strømaftageren er basiselementet, som de positive og negative aktive materialer er fastgjort til, og tegner sig for omkring 10-13% af batteriets vægt, og bruges til at opsamle den strøm, der genereres af elektrodematerialet og frigive ledning til ydersiden. . Selvom strømaftageren ikke deltager i elektrodereaktionen, er det den grundlæggende garanti for ydeevnen af elektrodematerialet, og dets renhed, tykkelse, stress og andre parametre påvirker indirekte elektrodens faktiske arbejdsydelse. Materialer, der anvendes som strømaftagere, skal have fremragende elektrisk ledningsevne, lav kontaktmodstand med aktive materialer, høj kemisk inerthed (ikke at reagere med elektrolyt og positive og negative elektroder), god bearbejdelighed og stabile mekaniske egenskaber. I lithium-ion-batterier er den positive elektrodestrømsamler aluminiumsfolie, og den negative elektrodestrømkollektor er kobberfolie for at undgå legering af aluminium og lithium under lavpotentiale forhold. I natrium-ion-batterier, da natrium og aluminium ikke gennemgår en legeringsreaktion, kan aluminiumsfolier bruges til både positive og negative strømaftagere, hvorved man undgår relativt dyre kobberfolier.
(3) Ledende middel: samme som lithium-ion-batteri
Når elektrodematerialet rent faktisk bruges, er det også nødvendigt at tilføje et ledende middel, som har tre hovedfunktioner: reduktion af selvpolariseringen af elektrodematerialet, reduktion af kontaktmodstanden mellem de aktive materialepartikler og mellem strømaftageren, adsorbering elektrolytten og forbedre infiltrationen af elektroden Effekt. Almindeligt anvendte ledende midler er kulstofmaterialer med stort specifikt overfladeareal og god ledningsevne, såsom kønrøg, grafitpulver, kulnanorør og grafen.
(4) Bindemiddel: samme som Li-ion batteri
Bindemidlets funktion er at kombinere elektrodematerialet, det ledende middel og strømaftageren til et komplet polstykke, der kan bruges. Materialet, der anvendes som bindemiddel, skal have god stabilitet, være let at behandle og være lavt i omkostninger. Almindeligt anvendte bindemidler til natriumionbatterier ligner lithiumionbatterier, for det meste stærke polære polymerer, såsom polyvinylidenfluorid (PVDF), natriumalginat (SA), polyacrylsyre (PAA), natriumcarboxymethylcellulose (CMC), polytetrafluorethylen (PTFE) , etc.
Fremstillingsproces og rute: på samme måde som lithiumbatterier
1.3.1. Elektrodematerialesyntese: kun preussisk blå er speciel
Syntesemetoden for natriumionbatteri-katodemateriale skal bestemmes i henhold til den specifikke materialekategori, som hovedsageligt er opdelt i fastfasereaktionsmetode og væskefasesyntesemetode. Oxid- og polyanionmaterialer kan syntetiseres ved enten fastfasereaktionsmetode eller væskefasesyntesemetode. Synteseprocessen er grundlæggende den samme som for de tilsvarende materialer til lithium-ion-batterier, så produktionslinjen kan være kompatibel til en vis grad. På nuværende tidspunkt er fastfasereaktionsmetoden den mest udbredte i industrien. Ensartetheden af produktet fremstillet ved denne metode har visse begrænsninger, men operationen er enkel, og den teknologiske proces er kort, hvilket er velegnet til storskalaproduktion. Væskefasesyntesemetoden har høj produktensartethed, men er relativt dyr, kræver højt udstyr og har meget spildevand. Derudover er der teknologier som sol-gel-metoden, mikrobølgesyntesemetoden, spraytørringsmetoden, ionbytningsmetoden osv., som generelt har høje omkostninger og ikke er egnede til industriel produktion for tiden.
1.3.2. Batterier samles i grupper: samlingsprocessen og udseendeklassificeringen er den samme som for lithium-ion-batterier
I lighed med lithium-ion-batterier gennemgår produktionen af natriumion-batterier også processer som pulpdannelse, coating, samling, væskeinjektion og kemisk dannelse. Blandt dem er samlingsprocessen hovedsageligt at kombinere de færdige positive og negative plader gennem membranmellemlaget for at etablere natriumionbanen inde i batteriet og isolere de positive og negative elektroder for at forhindre interne kortslutninger. Samlingsprocessen følger lithium-ion batteriteknologien og er opdelt i viklings- og lamineringsprocesser. Førstnævnte er yderligere opdelt i cylindrisk vikling og firkantet vikling. Derudover følger det strukturelle design og emballeringsprocessen for natriumionbatteriprodukter grundlæggende lithium-ion-batteriet, og udseendet er groft opdelt i tre kategorier: cylindrisk, blød pakke og firkantet hård skal, hver med sine egne fordele og ulemper.
Horisontal sammenligning: natriumbatteri vs lithiumbatteri, væskeflow, blysyre
Efterhånden som industrialiseringen af natriumionbatterier skrider frem, er det bundet til at have forskellige grader af indflydelse på andre sekundære batteriteknologier. Den første, der bærer hovedet, er lithium-ion-batterier, samt flow-batterier og bly-syre-batterier, der længe har været meget brugt på markedet. I dette afsnit forudsiger vi kort det fremtidige konkurrencemæssige landskab for natriumionbatteri gennem den horisontale sammenligning mellem natriumionbatteri og de ovennævnte tre batteriteknologier.
Natriumbatteri vs lithiumbatteri: ydeevne sammenlignelig med lithiumjernfosfat, omfattende omkostningsydelse eller højere
Natrium-ion-batteri er et supplement og en udvidelse af lithium-ion-batteri, ikke et komplet erstatningsforhold. Først og fremmest, hvad angår ydeevne, er det eksisterende lithium-ion-batterisystem ikke perfekt: ternære katodebatterier har høj energitæthed, men dårlig cykluslevetid; lithiumjernfosfat-katodebatterier har høj cykluslevetid, men lav energitæthed; lithium manganat katodebatterier Arbejdsspændingen er høj, men energitætheden og cykluslevetiden er dårlig. Derudover er lithium-ion-batterier tilbøjelige til at falme kraftigt ved lave temperaturer, hvilket kræver et temperaturkontrolsystem, som forbruger mindst 5 % af batterisystemets energi og øger produktionsomkostningerne. I modsætning hertil har energitætheden af det eksisterende natrium-ion batterisystem nærmet sig den for lithiumjernphosphat; selvom cykluslevetiden ikke er så god som for lithiumjernfosfat, er den væsentligt bedre end ternære materialer og lithiummanganat.
For det andet, set ud fra et sikkerhedsperspektiv, er sikkerheden på celleniveau blevet forbedret, da den indledende temperatur for termisk løb af natriumionbatteriet er lidt højere end lithiumionbatteriets, men begge batterier skal bruge meget brandfarligt organisk materiale. elektrolytter, er der risiko for deflagrering under termiske løbske forhold. Fra de nuværende destruktive eksperimenter, såsom cellepunktur, kan den faktiske sikkerhed for natriumionbatterier ligne den for lithiumjernfosfatbatterier.
Endelig, fra et omkostningsperspektiv, kan natriumionbatteri effektivt reducere omkostningerne til råvarer. For det første erstattes lithiumforbindelserne i de aktive materialer (katode, elektrolyt) af natriumforbindelser som helhed, og billige metaller som jern og mangan har stort set erstattet de dyrere metaller som kobolt og nikkel i katoden; for det andet dannes metalnatrium ikke med metalaluminium. Eutektisk legering, både positive og negative strømkollektorer kan være lavet af billig aluminiumsfolie, der erstatter de dyrere kobber negative elektrode strømkollektorer i det originale lithium-ion batteri; for det tredje fordi Stokes radius af natriumioner er mindre end lithiumioners, så mængden af opløst stof i elektrolytten kan reduceres kraftigt. I fremtiden vil natriumionbatteri sandsynligvis danne et stærkt konkurrenceforhold med lithiumjernphosphatbatterier, især i alpine regioner; lithium-ion-batterier vil fortsætte med at udvikle sig i retning af høj energitæthed og høj arbejdsspænding og gradvist udvikle sig til hel-solid-state batterier osv. Ny teknologi iterationer.
Natriumelektricitet vs væskeflow: fordelene og ulemperne er meget komplementære eller står side om side på energilagringsmarkedet
Natriumionbatteri og flowbatteri har stærk komplementaritet, førstnævnte er velegnet til lille og fleksibel energilagring, og sidstnævnte er velegnet til stor og mellemskala energilagring. Et flowbatteri er en væskefase (hovedsagelig vandfasesystem) elektrokemisk energilagringsanordning, som er kendetegnet ved, at det aktive arbejdsmateriale er opløst i elektrolytten, og energilagringen og -frigivelsen realiseres ved at ændre oxidationsvalenstilstanden af det aktive materiale. Repræsentanter omfatter fuld-vanadium flow-batterier, jern-chrom flow-batterier og zink-brom flow-batterier. Den største fordel ved flowbatteriet ligger i den iboende sikkerhed ved dets vandfasesystem og dets ultralange cykluslevetid, som er særligt velegnet til mellemstore og store elektrokemiske energilagringsanlæg, men ulemperne er lav energitæthed og snæver driftstemperatur rækkevidde, så det er svært at miniaturisere eller anvende til alpine regioner. I modsætning hertil er energitætheden af et natriumionbatteri omkring tre gange større end et flowbatteri, og det kan modstå en lav temperatur på -40 °C, men dets indre sikkerhed og cykluslevetid er ikke så godt som et flowbatteri. I fremtiden forventes natriumionbatteri og flowbatteri at komplementere hinanden inden for energilagring. For eksempel har husholdnings- og mobile små energilagringsenheder højere krav til energitæthed og er velegnede til brug af natriumionbatterier; store og mellemstore elektrokemiske energilagre kraftværker har højere krav til sikkerhed og er velegnede til brug af flowbatterier.
Natriumbatteri vs blysyre: erstatter gradvist traditionel blysyre, hvilket tvinger sidstnævnte til iterativt at opgradere
Natriumionbatterier forventes gradvist at erstatte traditionelle bly-syre-batterier, hvilket tvinger udviklingen af nye teknologier såsom bly-kulstof-batterier. Den industrielle anvendelse af bly-syre-batterier har været mere end halvandet århundrede, og dets industrielle lukkede kredsløb af "produktion-forbrug-genbrug" har været yderst komplet. Fordelene er lave omkostninger, nem genanvendelse og god sikkerhed. Ulemperne er lav energitæthed, kort levetid, opladning tager lang tid. På nuværende tidspunkt udvikles og opgraderes bly-syre-batterier stadig. Den mest repræsentative er "bly-carbon-batteriet", der integrerer superkondensatorteknologi. Dens cykluslevetid er så høj som 3,000 gange, den har mulighed for hurtig opladning og bevarer egenskaberne fra det originale bly-syre batteri. Sikkerhed og andre fordele, men energitætheden reduceres yderligere, og fremstillingsomkostningerne øges tilsvarende. I modsætning hertil er det meste af ydelsen af natrium-ion-batterier bedre end traditionelle bly-syre-batterier. I fremtiden, efterhånden som omkostningerne reduceres yderligere, forventes det gradvist at erstatte traditionelle bly-syre-batterier. Samtidig kan stigningen i natriumion-batterier indirekte fremskynde processen med at opgradere og iterere fra traditionelle bly-syre-batterier til bly-kul-batterier. I fremtiden kan bly-syre-batterier blive genfødt i form af bly-kul-batterier, snarere end helt at trække sig tilbage fra den historiske fase. (Rapportkilde: Rapportinstituttet)
Natriumbatteri Industristatus
På nuværende tidspunkt er der næsten 30 virksomheder involveret i natriumionbatteriindustrien verden over. Da fordele og ulemper ved tekniske ruter stadig er uafklarede, og der ikke er nogen samlet standard, er konkurrencen mellem forskellige virksomheder i det væsentlige konkurrencen fra forskellige tekniske ruter. Selvom forskningshistorien for natriumionbatterier varer i et halvt århundrede, har dens virkelige hurtige udvikling været i det sidste årti, takket være vigtige gennembrud inden for forskning og udvikling af elektrodematerialer. Vi vurderer, at branchen fortsat vil være i overgangsfasen fra introduktionsperioden til vækstperioden de næste 3 år.
Industriel struktur: ligner lithium-ion-batterier
Industrikæden for natriumionbatterier ligner lithium-ion-batterier, inklusive upstream, midstream og downstream. Upstream: forsyning af råmaterialer og syntese af elektrodematerialer, de vigtigste råmaterialer omfatter soda, aluminiumsfolie, manganmalm osv., samt forskellige hjælpematerialer, der involverer basiskemikalier og ikke-jernholdige metaller og andre industrier. Midstream: cellepakning, batterisystemkonstruktion og -integration osv., der involverer forskellige forbrugsstoffer og elektroniske komponenter. Downstream: Slutbrugsmarkeder, hovedsagelig inklusive energilagring og lavhastigheds-elkøretøjer.
Større virksomheder: Der er mere end 20 virksomheder i verden, og kinesiske virksomheder dominerer
Natriumionbatteri-relaterede virksomheder i ind- og udland blev etableret (eller trådte ind på området) efter 2010. På nuværende tidspunkt er der mere end 20 relaterede virksomheder i verden, hovedsageligt beliggende i Kina, USA, Europa og Japan. De fleste af dem er nystartede virksomheder. Teknologisk forskning og udvikling og strategisk layout er de vigtigste, og skalaen er endnu ikke dannet.
3.2.1. Indenrigs: Zhongke Haina har akkumuleret meget, og Ningde-æraen har taget føringen
mit lands natrium ion batteri forskning og industrialisering førende i verden i verden. Indenlandske natriumionbatterivirksomheder kan opdeles i to kategorier: den ene er en nystartet virksomhed skabt af den selvudviklede teknologi fra videnskabelige forskningsinstitutter, repræsenteret ved Zhongke Haina; den anden er en moden lithium-ion batteri virksomheder har indtastet natrium ion batteri spor for at deltage i konkurrencen, repræsenteret af Ningde æra.
Zhongke Haina blev grundlagt i 2017 og er den første højteknologiske virksomhed i Kina, der fokuserer på udvikling og fremstilling af natriumionbatterier. Det blev inkuberet af Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences og har et R&D-team ledet af akademiker Chen Liquan og forskeren Hu Yongsheng. , er en af de få batterivirksomheder med kernepatenterede teknologier inden for alle områder af natriumionbatterier, har lanceret en række demonstrationsprojekter og påbegyndt konstruktionen af den første 1GWh-skala produktionslinje. Som en teknologivirksomhed inkuberet af Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, har Zhongke Haina stærke innovationsevner og har mestret alle områder fra grundlæggende forskning og udvikling af aktive materialer til skaleret produktion, fra materialer til batterier, fra enkeltceller til batteri moduler, og fra batterikomponenter til applikationer. teknologi.
Ben'an Energy blev grundlagt i 2017 og er en højteknologisk multinational virksomhed, der hovedsageligt beskæftiger sig med forskning og udvikling og produktion af natriumionbatterier til vandsystemer. Virksomheden har globale R&D-centre i Singapore, Kina og USA til at udføre forskning og udvikling af materialer, celler og strukturer til vandbaserede natriumionbatterier; regionale virksomheder i Kina, USA og Australien er ansvarlige for fremstilling af batterimateriale og regionale markedsforretninger. Virksomheden fokuserer på anvendelsesområdet stationær energilagring. Produkterne har egenskaberne høj egensikkerhed, miljøbeskyttelse og ikke-toksicitet. De er især velegnede til energilagringskraftværker i tætbefolkede byområder og er også velegnede til indeklima; de er også velegnede til langsigtet flydende drift. , kan bruges i vid udstrækning i industrielt backup-strømsystem.
3.2.2. I udlandet: De fleste af dem er nystartede virksomheder, med lille skala og stærkt fremadrettet
Udenlandske natriumionbatterivirksomheder er hovedsageligt placeret i udviklede lande som Europa, Amerika og Japan. Forskellige materialesystemer og tekniske ruter vedtages af virksomheder. De fleste af disse virksomheder har en relativt kort etableringstid og begrænset produktionsskala, men deres teknologi er meget fremadskuende.
Det britiske firma Faradion skubber hovedsageligt lagdelte oxidkatoder. Virksomheden blev grundlagt i 2011 og er verdens første kommercialiserede natriumionbatterivirksomhed og har i øjeblikket 31 natriumionbatteripatenter, der dækker batterimaterialer, batteriinfrastruktur, batterisikkerhed og transport osv. Virksomheden lægger stor vægt på produktomkostninger og energitæthed , med det ultimative mål at levere lithium-ion-ydelse til en bly-syre-pris. I slutningen af 2021 blev virksomheden opkøbt af Indiens Reliance New Energy Solar Limited (RNESL) for £100 millioner, som også vil investere £25 millioner som vækstkapital for at fremskynde den kommercielle udrulning af natriumionbatteriet.
Natron Energy-selskabet i USA skubber hovedsageligt på natriumionbatteriet i vandsystemet. Virksomheden blev grundlagt i 2012 og er en virksomhed, der udvikler og producerer vandbaserede natriumionbatterier, hovedsageligt til fremme af preussiske blå katodematerialer. Virksomheden lægger stor vægt på sikkerheden ved natriumion-batterier og bruger ikke organiske opløsningsmiddelelektrolytter. Dens produkter er ekstremt sikre og har en lang levetid. Effekttætheden er kun lidt lavere end for lithium-ion-batterier, men energitætheden er kun sammenlignelig med blybatterier, primært til statisk elektricitet. Energilagringsapplikationer (hurtigladestationer til datacentre, gaffeltrucks og elektriske køretøjer). I øjeblikket er dets natriumionbatteri oprindeligt blevet kommercialiseret med en pilotproduktionslinje, der opererer i Santa Clara, Californien. Det næste mål er at udvide produktionen og danne en industrikæde for natriumionbatterier.
Fremtidig udvikling: giv fuld spil til ressourcebegavelsen og komparativ fordel ved natriumelektricitet
Nuværende problemer: dårlige materialer, høje omkostninger, ubestemte standarder
4.1.1. Materialeforskning skal fremmes: hård kulstofmekanisme, forbedring af ydeevnen, sikkerhedsvurdering
På nuværende tidspunkt er der stadig mange kontroverser om natriumlagringsmekanismen for hårdt kulstof i den akademiske verden, og det er ikke blevet fuldt belyst. For at forbedre defekterne af den eksisterende hårde kulstofanode, såsom den lave første cyklus effektivitet, er det nødvendigt at dybt forstå den kinetiske mekanisme af dens natriumlagring og give den mest grundlæggende teoretiske vejledning til teknologisk forskning og udvikling. Der er stadig meget plads til forbedring af materialeegenskaberne for det eksisterende natriumionbatteri. Generelt er energitætheden af det nuværende natriumionbatteri langt fra den teoretiske værdi, og dets cyklusydelse skal også forbedres yderligere. På den ene side kræves løbende forbedring af aktive materialer. På den anden side skal dets overordnede systemdesign og integrerede styring også tages i betragtning. Den faktiske driftssikkerhed af natriumionbatteriet kræver omhyggelig evaluering. På nuværende tidspunkt er sikkerhedstesteksperimentet med natriumionbatteri på celleniveau. Resultaterne viser, at selvom sikkerheden er høj, så skal sikkerheden efter den faktiske drift iagttages akut, og det er ikke tilrådeligt at være blindt optimistisk. Især vil den preussiske blå positive elektrode frigive meget giftige gasser såsom blåsyre og cyanid i tilfælde af termisk løb.
4.1.2. Omkostningsfordelen mangler at blive realiseret: teknologisk F&U og stordriftsfordele er uundværlige
Omkostningsreduktionen af natriumionbatterier afhænger af reduktionen af variable omkostninger gennem kontinuerlig teknologiiteration og fortynding af faste omkostninger gennem masseproduktion. I teorien har natriumionbatterier en stor materialeomkostningsfordel, men de faktiske samlede omkostninger for det nuværende produkt er mere end 1 yuan/Wh, hvilket er højere end lithiumjernphosphat. skalaeffekt. På den ene side er typerne af elektrodematerialer og fremstillingsprocesser ikke standardiserede, og prækursorerne mangler også en stabil og pålidelig forsyningskæde, hvilket fører til lavt udbytte og ensartethed af elektrodematerialer og høje faktiske omkostninger. Teknologiske udforskningsforbedringer. På den anden side er prisen på produktionsudstyr høj, og afskrivningstabet er stort og tegner sig for omkring 20 ~ 30% af fremstillingsomkostningerne, som kun kan fortyndes ved masseproduktion.
4.1.3. Tekniske standarder, der skal formuleres: standardisere markedsordenen og fremme sund udvikling
Natriumionbatteriindustrien skal etablere en videnskabelig samlet standard for at regulere virksomhedernes produktionsaktiviteter og fremme en sund og velordnet udvikling af industrien. På dette stadium er de tekniske ruter for producenter, der beskæftiger sig med forskning og udvikling og produktion af natriumionbatterier, forskellige, og der er stor uenighed om, hvilken der er bedst. På nuværende tidspunkt henviser producenterne hovedsageligt til lithium-ion-batterier, kombineret med egenskaberne ved natriumion-batterier og industriel udvikling, for at formulere standarder eller produktspecifikationer, der passer til deres respektive virksomheder, og bruger dette til at vejlede produktdesign og fremstillingsprocesser for at sikre produktudbytte og konsistens. Som følge heraf er produktets ydeevne og tekniske niveau for forskellige virksomheder ujævnt. Den ensartede formulering af industriens tekniske standarder kan spille en bedre rolle i at lede industrien og er en nødvendig garanti for at opnå stordriftsfordele. Især sikkerhedsstandarder er et vigtigt grundlag for at begrænse produktkvaliteten og et vigtigt middel til at regulere markedsordenen og fremme en sund og bæredygtig udvikling af industrien.
Teknologiudsigt: Forbedret sikkerhed og højere specifik energi
4.2.1. Vandbaseret natriumionbatteri: egensikkert natriumionbatteri
Udskiftning af organiske elektrolytter med vandige elektrolytter kan grundlæggende forbedre sikkerheden ved natriumionbatterier. Det nuværende natriumionbatteri viderefører lithium-ionbatteriets organiske elektrolytsystem, så det er umuligt grundlæggende at undgå risikoen for deflagrering. Hvis det erstattes med en vandig opløsning, vil det ikke kun forbedre sikkerheden markant, men også forenkle produktionsprocessen, samtidig med at produktionsprocessen reduceres. miljøforurening. På nuværende tidspunkt er der rapporteret om et stort antal vandbaserede natriumionbatterisystemløsninger, blandt hvilke det preussiske blå system har den bedste cyklusydelse, og industrialiseringsforsøg er startet. Repræsentative virksomheder omfatter Natron Energy og Ben'an Energy. I det lange løb er vandbaseret natriumionbatteri en meget lovende retning, især til energilagring.
4.2.2. Solid state natrium ion batteri: høj energitæthed natrium ion batteri
Udskiftning af flydende organiske elektrolytter med faste elektrolytmaterialer kan producere solid-state natriumion-batterier. På grund af undgåelse af brandfarlige og eksplosive organiske opløsningsmidler er batteriets sikkerhed blevet væsentligt forbedret, og det elektrokemiske vindue er blevet kraftigt udvidet, hvilket gør det muligt at anvende højpotentiale katodematerialer og metalnatriumanoder, hvilket i høj grad forbedrer energien. tætheden af hele batteriet. . På grund af den stive faste elektrolytbarriere mellem de positive og negative elektroder er det desuden ikke længere nødvendigt at opsætte en separat separator, og med den bipolære elektrodeproces kan batteriets systemenergitæthed forbedres yderligere. Sådanne materialer står i øjeblikket over for problemer såsom lav stuetemperaturledningsevne og høj grænsefladeimpedans, og deres industrialisering vil tage tid.
4.2.3. Multi-gæst co-intercalation anode: grafit som en universel anode
Grafit-anoden kan også opnå effektiv interkalation og deinterkalation af kompleksbundne natriumioner i "multi-guest co-intercalation reaktionen". Da ΔG>0 af natriumion-grafit interkalationsreaktionen, er det vanskeligt for natriumioner effektivt at interkalere mellem grafitlag i carbonatopløsningsmidler, så det er vanskeligt at bruge grafit negative elektroder. Faktisk danner natriumioner i etheropløsningsmidler koordinationsbindinger med etheroxygenatomer, som kan co-indsættes mellem grafitlagene i form af koordinationsioner. Denne "multi-gæst co-insertion reaktion" har vigtig oplysende betydning. På den ene side betyder det, at grafit-negative elektroden også kan bruges som den negative elektrode af natriumion-batteriet og dermed dele materialeproduktionslinjen med lithium-ion-batteriet, hvilket er befordrende for storskala-omkostningsreduktion. På den anden side åbner dette op for muligheden for at designe en ny generation af multiopladede ionbatterier. Etherelektrolytter har dog svag stabilitet og er tilbøjelige til at reagere med den positive elektrode, hvilket kræver yderligere dybdegående forskning
