Natriumioner tiltrækker opmærksomhed verden over, som et alternativ til Lithium-ioner, i genopladelige batterier. Natriumioner er fremragende ladningsbærere, som du kan se fra dette simple Natriumchlorid- og Vand-batterieksperiment.
Globale ledere i batteriindustrien sætter store satsninger på natrium-ion-batterier som fremtidens rygrad i grøn industriel energi. Hvis du slår op på verdens top 10 producenter af natriumionbatterier, vil du bemærke, at de også omfatter de største producenter af lithium-ion-batterier.
Da natrium-ion- og lithium-ion-batteriets kemi er ens, udnytter producenter bevist lithium-ion-knowhow og produktionsudstyr til hurtig udvikling af natrium-ion-batterier. Et godt eksempel er Kinas Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL), som er en af top10 lithium-ion-batterier producenter i Kina. CATL har lanceret deres første generation Natrium-ion batteri med energitæthed på 160 Wh/kg.
Da natrium-ion-batterier er større end tilsvarende lithium-ion-batterier, er de ikke ideelle til elektriske køretøjer i øjeblikket. Derfor retter producenterne sig mod energilagringsmarkedet, hvor størrelse ikke er vigtig, men omkostninger, ydeevne og sikre forsyningskæder er nøgleovervejelser. Det tror forskere Natrium-ion-batterier er svaret på udfordringen med lagring af vedvarende energi.
I fremtiden kan du forvente, at Natrium-ion-batterier bliver lettere og mere kraftfulde. Det betyder, at disse batterier bliver attraktive for elbilmarkedet. Men du har måske bemærket, at markedet for elektriske køretøjer for nylig ikke har været robust. Globalt er markedet for elektriske køretøjer vaklet på grund af deres høje omkostninger, mangel på genopladningsinfrastruktur og i mange tilfælde tilbagetrækning af skattemæssige incitamenter. Yderligere, Lithium-ion-batterier kan blive fortrængt af brintbrændselsceller i transportsektoren. Med lithium-ion begrænset til mindre elektronisk udstyr, kan natrium-ion-teknologi gå videre på lang sigt.
Hvad er natriumionbatteriet?
Et natriumionbatteri er et genopladeligt batteri, der bruger natriumioner til at transportere elektrisk ladning inde i batteriet. Natriumioner pendler mellem anoden og katoden og bærer den interne cellestrøm under hver opladnings- og afladningscyklus.
Hvordan virker et natriumionbatteri?
Du kan se den princippet bag et natrium-ion-batteri i figur 1. De vigtigste arbejdsdele af batteriet er:
- En anode, som er en porøs elektrode og indeholder masser af ioniserbare natriumatomer på overfladen;
- En katode, som også er en porøs elektrode, med tilstrækkelig overflade til at modtage natriumioner, der kommer fra anoden;
- En porøs separator, der forhindrer fysisk kontakt mellem anode og katode, men tillader natriumioner at bevæge sig mellem anode og katode;
- En flydende elektrolyt indeholdende opløste natriumsalte. Det elektrolyt fungerer som reservoir af natriumioner, der starter en intern strøm, når der er skabt en spændingsforskel mellem elektroderne.
I figur 1 repræsenterer de gule kugler positivt ladede natriumioner, mens de røde kugler repræsenterer neutrale natriumatomer. Hvert neutralt natriumatom bliver til en positivt ladet ion, når en elektron trækkes ud af dens yderste elektronskal.
Så når en ekstern spænding er påført gennem en oplader eller et større batteri, bliver elektroner trukket ud fra natriumatomerne knyttet til anoden. Disse elektroner strømmer ind i det eksterne kredsløb og når katoden. Katoden får negativt potentiale på grund af akkumulering af elektroner.
Samtidig bliver natriumatomerne ved anoden, efter at have mistet en elektron hver, positive ioner og forlader anoden. På grund af potentialforskellen bevæger de sig gennem elektrolytten mod katoden. Ved katoden neutraliseres de positive natriumioner af elektroner, der når dertil fra det eksterne kredsløb. De resulterende neutrale natriumatomer parkerer sig selv ved katoden under den resterende del af opladningscyklussen.
Når en ekstern belastning er tilsluttet, og batteriet aflades, starter den omvendte rejse for natriumioner, der er parkeret ved katoden. Natriumionerne rejser tilbage til anoden gennem elektrolytten, mens elektroner fra katoden rejser gennem den eksterne belastning til anoden. En gang ved anoden bliver natriumioner neutraliseret af elektroner, der kommer ind fra det eksterne kredsløb. De neutrale natriumatomer parkerer sig selv ved anoden under resten af udledningscyklussen. Således bruges hele levetiden af natriumioner i denne type genopladelige batterier i pendulfart mellem anoden og katoden!
Den maksimale trafiktæthed af natriumioner afhænger af elektrolyttens egenskaber samt anode- og katodekonstruktionen. Disse er vigtige parametre i batteridesign, der bestemmer energitætheden og strømmen.
Applikationer
Eksperter mener, at de ideelle anvendelser for natriumion-batterier er inde stationære energilagringsapplikationer i vedvarende energi- og industrisektoren. Det NAIMA projekt i den europæiske union er fokuseret på at udvikle to konfigurationer af miljøvenlige, sikre natrium-ion-celler til energilagringssektoren.
I mellemtiden er verdens første kommercielle udbredelse af natrium-ion-batterier i bilsektoren blevet gennemført i Kina. EN joint venture mellem JAC i Kina og Volkswagen i Tyskland lancerede et fem-personers passagerkøretøj drevet af et 25 kwh natriumionbatteri med en rækkevidde på 250 km.
Natrium-ion-batterier overvejes også til personlige elektroniske enheder, såsom bærbare computere og mobiltelefoner. Selvom de er tungere end lithium-ion-batterier, er de billigere og sikrere, hvilket begge er vigtige forbrugerhensyn.
En anden anvendelse af natrium-ion-batterier er i backup-strømsystemer, såsom i Natron Energy's UPS .
Hvordan natriumionbatteri ændrer spillet:
Natrium-ion-batterier vil bringe mange fordele ind på markederne for genopladelige batterier. Disse omfatter:
Højere sikkerhed
Sammenlignet med lithium-ion-batterier Natrium-ion-batterier er mindre tilbøjelige til at gå i brand. Fremtidige generationer af natriumion kan bruge faststofelektrolytter, som vil være helt fri for denne fare. For eksempel, Australske forskere har udviklet en ikke-brændbar fast polymerelektrolyt, til brug med natrium-ion-batterier. Forskellige andre strategier til at afbøde termiske risici ved natrium-ion-batterier er også ved at blive undersøgt, bl.a. materialevalg for forbedret sikkerhed.
Lavere omkostninger
Prisen på natrium-ion-batterier pr. kwh er mindre end en tredjedel af lithium-ion-batterier. På grund af råvareomkostningerne.
Lavere forsyningskæderisiko
I modsætning til lithium, som kun udvindes og raffineres i nogle få lande, er natrium let tilgængeligt i hele verden. Dette reducerer risiciene i råvareforsyningskæden betydeligt.
Natrium-ion-batteri vs lithium-ion-batteri
Som forbruger eller investor, hvis du skulle vælge mellem de to, hvilken vej ville du så gå? Du ville se på umiddelbare fordele og præstationsegenskaber som forbruger, mens du som investor ville se på større, langsigtede problemer.
Lad os sammenligne de to typer batterier på tværs af nogle få nøgleparametre, der er relevante for forbrugere såvel som investorer.
| Parameter | Lithium-ion batteri | Natrium-ion batteri |
| Modenhed af teknologi og forsyningskæder | Teknologien er moden, der er etablerede globale forsyningskæder. | Første generations teknologi kommercialiseres. Begrænsede forsyningskæder. |
| Koste | ~ $130 -$180/kWh | ~ $40-$55/kwh |
| Sikkerhed | Høj risiko for termisk løb på grund af, at cellematerialer antændes fra ukontrolleret varmeproduktion | Der er risiko for termisk løbsk for natriumion-batterier, men kan elimineres ved cellematerialevalg og design i fremtiden. |
| Energitæthed | 150 -250 Wh/kg | 100-160 Wh/kg |
| Spænding | 3.0 ~ 4.5 V | 2.8 ~ 3.5 V |
| Opbevaring uden opladning | Anbefales ikke, vil reducere batteriets levetid | Tilladt. Vil ikke påvirke batterilevetiden |
| Supply Chain Risiko | Høj på grund af lithiumforsyning en raffinering koncentreret i nogle få lande. | Lav risiko, da natrium er rigeligt tilgængeligt, og raffinering er let. |
Natrium-ion-batterier - nutid og fremtid
Natrium-ion-batterier har gjort deres indtog på det rigtige tidspunkt, hvor den globale opmærksomhed er fokuseret på dekarbonisering af energi. Den første generation af natrium-ion-batterier har allerede vist adskillige fordele i forhold til lithium-ion, især med hensyn til omkostninger og sikkerhedsparametre.
Men den nuværende efterspørgsel efter sådanne genopladelige batterier er drevet af elektriske køretøjer og personlige elektroniske enheder, hvor lithium-batterier dominerer markedet. På grund af lavere effekttæthed og mere vægt vil det være svært for Sodium-ion at konkurrere med første generations batterier. Derfor går en masse forsknings- og udviklingsindsats i at forbedre strømtætheden af natrium-ion-batterier. Faktisk kan et gennembrud være tæt på, siden CATL annoncerede, at dens næste generation af natrium-ion-batteri vil opnå 200 kwh/kg. Forbedring af energitætheden til konkurrencedygtige omkostninger vil være en uendelig udfordring for alle typer batterier. For eksempel sætter CATL igen farten her ved at arbejde på en futuristisk Lithium-baseret 500 kwh/kg kondenseret stof batteri.
På mellemlang sigt vil øgede investeringer i vedvarende energi fra lande over hele verden øge efterspørgslen efter energilagringssystemer. Producenter af natriumionbatterier ser dette som den bedste mulighed, når det først starter.
Bortset fra energi og effekttæthed fortsætter natrium-ion-batteriteknologien med at udvikle sig for at lukke hullet med lithium-ion-teknologi. Forskere løser problemer relateret til materialenedbrydning, udvikler billigere og bedre anoder, katoder og elektrolytter, forbedrer sikkerheden og genbrugsevnen.
Forsyningskæderne til Natrium-ion-batterier skal også udvides, hvortil der skal foretages de nødvendige investeringer.
Som konklusion er natriumion-batterier dukket op som en seriøs konkurrent til deres lithium-ion-modstykker. Det vil dog tage mange års udvikling og kommerciel succes, før man kan sige, at Natrium-ion-batterier repræsenterer fremtidens energi.
