Natriumionen erregen weltweit Aufmerksamkeit als Alternative zu Lithiumionen in wiederaufladbaren Batterien. Natriumionen sind ausgezeichnete Ladungsträger, wie Sie an diesem einfachen Batterieexperiment mit Natriumchlorid und Wasser sehen können.
Weltweit führende Unternehmen der Batterieindustrie setzen stark auf Natrium-Ionen-Batterien als zukünftiges Rückgrat grüner Industrieenergie. Wenn Sie die Welt nachschlagen Top 10 Hersteller von Natrium-Ionen-BatterienSie werden feststellen, dass zu ihnen auch die größten Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien gehören.
Da die Chemie von Natriumionen- und Lithium-Ionen-Batterien ähnlich ist, nutzen Hersteller bewährtes Lithium-Ionen-Know-how und Produktionsanlagen für die schnelle Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien. Ein gutes Beispiel ist Chinas Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL), eines davon Top10 Lithium-Ionen-Batterien Hersteller in China. CATL hat ihre gestartet Natrium-Ionen-Batterie der ersten Generation mit einer Energiedichte von 160 Wh/kg.
Da Natrium-Ionen-Batterien sperriger sind als entsprechende Lithium-Ionen-Batterien, sind sie derzeit nicht ideal für Elektrofahrzeuge. Daher zielen die Hersteller auf den Energiespeichermarkt ab, bei dem es nicht auf die Größe ankommt, sondern auf Kosten, Leistung und sichere Lieferketten. Wissenschaftler glauben das Natriumionenbatterien sind die Antwort auf die Herausforderung der Speicherung erneuerbarer Energien.
In Zukunft können Sie damit rechnen, dass Natrium-Ionen-Batterien leichter und leistungsfähiger werden. Dies bedeutet, dass diese Batterien für den Markt für Elektrofahrzeuge attraktiv werden. Möglicherweise ist Ihnen jedoch aufgefallen, dass der Markt für Elektrofahrzeuge in letzter Zeit nicht robust war. Weltweit ist der Markt für Elektrofahrzeuge aufgrund der hohen Kosten, der fehlenden Ladeinfrastruktur und in vielen Fällen des Wegfalls steuerlicher Anreize ins Stocken geraten. Weiter, Lithium-Ionen-Batterien können im Transportsektor durch Wasserstoff-Brennstoffzellen ersetzt werden. Während Lithium-Ionen auf kleinere elektronische Geräte beschränkt sind, kann die Natrium-Ionen-Technologie langfristig Fortschritte machen.
Was ist die Natrium-Ionen-Batterie?
Eine Natriumionenbatterie ist eine wiederaufladbare Batterie, die Natriumionen zum Transport elektrischer Ladung innerhalb der Batterie verwendet. Während jedes Lade- und Entladezyklus pendeln Natriumionen zwischen Anode und Kathode und transportieren den internen Zellstrom.
Wie funktioniert eine Natrium-Ionen-Batterie?
Du kannst das ... sehen Prinzip, das einer Natrium-Ionen-Batterie zugrunde liegt in Abbildung 1. Die wichtigsten Funktionsteile der Batterie sind:
- Eine Anode, die porös ist Elektrode und enthält auf seiner Oberfläche zahlreiche ionisierbare Natriumatome;
- Eine Kathode, die ebenfalls eine poröse Elektrode ist und über eine ausreichende Oberfläche verfügt, um von der Anode kommende Natriumionen aufzunehmen;
- Ein poröser Separator, der den physischen Kontakt zwischen Anode und Kathode verhindert, aber den Natriumionenaustausch zwischen Anode und Kathode ermöglicht;
- Ein flüssiger Elektrolyt, der gelöste Natriumsalze enthält. Der Elektrolyt fungiert als Reservoir für Natriumionen, die einen internen Strom in Gang setzen, sobald zwischen den Elektroden eine Spannungsdifferenz entsteht.
In Abbildung 1 stellen die gelben Kugeln positiv geladene Natriumionen dar, während die roten Kugeln neutrale Natriumatome darstellen. Jedes neutrale Natriumatom wird zu einem positiv geladenen Ion, wenn ein Elektron aus seiner äußersten Elektronenhülle herausgezogen wird.
Sobald also über ein Ladegerät oder eine größere Batterie eine externe Spannung angelegt wird, werden den an der Anode befestigten Natriumatomen Elektronen entzogen. Diese Elektronen fließen in den externen Stromkreis und erreichen die Kathode. Durch die Ansammlung von Elektronen erhält die Kathode ein negatives Potenzial.
Gleichzeitig werden die Natriumatome an der Anode, nachdem sie jeweils ein Elektron verloren haben, zu positiven Ionen und verlassen die Anode. Aufgrund der Potentialdifferenz wandern sie durch den Elektrolyten in Richtung Kathode. An der Kathode werden die positiven Natriumionen durch Elektronen, die vom externen Stromkreis dorthin gelangen, neutralisiert. Die resultierenden neutralen Natriumatome parken sich während des verbleibenden Teils des Ladezyklus an der Kathode.
Wenn eine externe Last angeschlossen wird und sich die Batterie entlädt, beginnt für die an der Kathode geparkten Natriumionen die umgekehrte Reise. Die Natriumionen wandern durch den Elektrolyten zurück zur Anode, während Elektronen von der Kathode durch die externe Last zur Anode wandern. An der Anode angekommen, werden Natriumionen durch Elektronen neutralisiert, die aus dem externen Stromkreis eintreffen. Die neutralen Natriumatome parken sich für den Rest des Entladezyklus an der Anode. Daher verbringen Natriumionen in dieser Art von wiederaufladbaren Batterien ihre gesamte Lebensdauer damit, zwischen Anode und Kathode zu pendeln!
Die maximale Verkehrsdichte von Natriumionen hängt von den Eigenschaften des Elektrolyten sowie der Anoden- und Kathodenkonstruktion ab. Dies sind wichtige Parameter beim Batteriedesign, die die Energiedichte und den Strom bestimmen.
Anwendungen
Experten glauben, dass die idealen Einsatzmöglichkeiten für Natrium-Ionen-Batterien vorliegen stationäre Energiespeicheranwendungen in den Bereichen Erneuerbare Energien und Industriedem „Vermischten Geschmack“. Seine NAIMA Das Projekt in der Europäischen Union konzentriert sich auf die Entwicklung zweier Konfigurationen umweltfreundlicher, sicherer Natriumionenzellen für den Energiespeichersektor.
Inzwischen wurde in China der weltweit erste kommerzielle Einsatz von Natrium-Ionen-Batterien im Automobilsektor durchgeführt. A Joint Venture zwischen JAC aus China und Volkswagen aus Deutschland brachte einen fünfsitzigen Personenkraftwagen auf den Markt, der von einer 25-kWh-Natrium-Ionen-Batterie angetrieben wird und eine Reichweite von 250 km hat.
Auch für persönliche elektronische Geräte werden Natrium-Ionen-Batterien in Betracht gezogen, wie zum Beispiel Laptops und Mobiltelefone. Obwohl sie schwerer als Lithium-Ionen-Batterien sind, sind sie billiger und sicherer, was beides wichtige Verbraucheraspekte sind.
Eine weitere Anwendung von Natrium-Ionen-Batterien sind Notstromsysteme, wie z USV von Natron Energy .
Wie Natrium-Ionen-Batterien das Spiel verändern:
Natriumionenbatterien werden den Märkten für wiederaufladbare Batterien viele Vorteile bringen. Diese beinhalten:
Höhere Sicherheit
Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien sind Natrium-Ionen-Batterien weniger anfällig für Feuer. Zukünftige Generationen von Natriumionen können Festkörperelektrolyte verwenden, die von dieser Gefahr völlig frei sind. Zum Beispiel, Australische Forscher haben einen nicht brennbaren festen Polymerelektrolyten entwickelt, zur Verwendung mit Natrium-Ionen-Batterien. Verschiedene andere Strategien zur Minderung der thermischen Risiken von Natriumionenbatterien werden ebenfalls untersucht, darunter: Materialauswahl für mehr Sicherheit.
Niedrigere Kosten
Die Kosten für Natrium-Ionen-Batterien pro kWh beträgt weniger als ein Drittel der von Lithium-Ionen-Batterien. Wegen der Rohstoffkosten.
Geringeres Lieferkettenrisiko
Im Gegensatz zu Lithium, das nur in wenigen Ländern abgebaut und raffiniert wird, ist Natrium überall auf der Welt leicht verfügbar. Dadurch werden die Risiken in der Rohstofflieferkette deutlich reduziert.
Natrium-Ionen-Batterie vs. Lithium-Ionen-Batterie
Welchen Weg würden Sie als Verbraucher oder Investor einschlagen, wenn Sie sich zwischen beiden entscheiden müssten? Als Verbraucher würden Sie auf unmittelbare Vorteile und Leistungsmerkmale achten, während Sie als Investor auf größere, langfristige Probleme achten würden.
Vergleichen wir die beiden Batterietypen anhand einiger wichtiger Parameter, die sowohl für Verbraucher als auch für Investoren relevant sind.
| Parameter | Litium-Ionen-Batterie | Natrium-Ionen-Akku |
| Reife der Technologie und Lieferketten | Die Technologie ist ausgereift, es gibt etablierte globale Lieferketten. | Die Technologie der ersten Generation wird kommerzialisiert. Begrenzte Lieferketten. |
| Kosten | ~ 130 - 180 $/kwh | ~ 40–55 $/kWh |
| Sicherheit | Hohes Risiko eines thermischen Durchgehens, da Zellmaterialien durch unkontrollierte Wärmeproduktion Feuer fangen | Bei Natriumionenbatterien besteht die Gefahr eines thermischen Durchgehens, kann aber durch die Auswahl und das Design der Zellmaterialien in Zukunft eliminiert werden. |
| Energiedichte | 150 -250 Wh/kg | 100-160 Wh / kg |
| Stromspannung | 3.0 ~ 4.5 V | 2.8 ~ 3.5 V |
| Lagerung ohne Gebühr | Nicht empfohlen, verkürzt die Batterielebensdauer | Gestattet. Hat keinen Einfluss auf die Akkulaufzeit |
| Lieferkettenrisiko | Hoch, da sich die Lithiumversorgung und -raffinierung auf einige wenige Länder konzentriert. | Geringes Risiko, da Natrium reichlich vorhanden ist und die Raffinierung einfach ist. |
Natriumionenbatterien – Gegenwart und Zukunft
Natrium-Ionen-Batterien haben ihren Einzug zum richtigen Zeitpunkt gehalten, da sich die globale Aufmerksamkeit auf die Dekarbonisierung der Energie konzentriert. Die Natrium-Ionen-Batterien der ersten Generation haben gegenüber Lithium-Ionen-Batterien bereits mehrere Vorteile gezeigt, insbesondere in Bezug auf Kosten und Sicherheitsparameter.
Allerdings wird die aktuelle Nachfrage nach solchen wiederaufladbaren Batterien durch Elektrofahrzeuge und persönliche elektronische Geräte getrieben, wo Lithiumbatterien den Markt dominieren. Aufgrund der geringeren Leistungsdichte und des höheren Gewichts wird es für Natrium-Ionen-Akkus schwierig sein, mit Batterien der ersten Generation zu konkurrieren. Daher wird viel Forschungs- und Entwicklungsaufwand in die Verbesserung der Leistungsdichte von Natrium-Ionen-Batterien gesteckt. Tatsächlich könnte ein Durchbruch schon nahe sein CATL gab bekannt, dass seine Natrium-Ionen-Batterie der nächsten Generation 200 kWh/kg erreichen wird. Die Verbesserung der Energiedichte zu wettbewerbsfähigen Kosten wird für alle Arten von Batterien eine nie endende Herausforderung sein. Beispielsweise gibt CATL hier erneut den Ton an, indem es an einem futuristischen Lithium-basierten Modell arbeitet 500 kWh/kg Kondensatbatterie.
Mittelfristig werden zunehmende Investitionen in erneuerbare Energien in Ländern auf der ganzen Welt die Nachfrage nach Energiespeichersystemen steigern. Hersteller von Natrium-Ionen-Batterien halten dies für die beste Option, sobald es durchstartet.
Abgesehen von der Energie- und Leistungsdichte entwickelt sich die Natrium-Ionen-Batterietechnologie weiter, um die Lücke zur Lithium-Ionen-Technologie zu schließen. Wissenschaftler lösen Probleme im Zusammenhang mit der Materialzerstörung, entwickeln günstigere und bessere Anoden, Kathoden und Elektrolyte und verbessern die Sicherheit und Recyclingfähigkeit.
Auch die Lieferketten für Natrium-Ionen-Batterien müssen erweitert werden, wofür die notwendigen Investitionen getätigt werden müssen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Natrium-Ionen-Batterien zu einer ernsthaften Konkurrenz zu ihren Lithium-Ionen-Pendants entwickelt haben. Es wird jedoch noch viele Jahre der Entwicklung und des kommerziellen Erfolgs dauern, bis man sagen kann, dass Natrium-Ionen-Batterien die Zukunft der Energie darstellen.
