pasado y presente de la batería de iones de sodio

Índice del contenido

Introducción técnica: pasado y presente de la batería de iones de sodio

Conceptos básicos y antecedentes históricos: el “hermano gemelo” de las baterías de litio

En los últimos años, el desarrollo de energías limpias se ha convertido en el consenso de la mayoría de los países del mundo. mi país incluso ha propuesto el gran objetivo de “nivel máximo de carbono y neutralidad de carbono”. Las tecnologías de generación de energía de energía limpia como la energía solar, la energía eólica y la energía de las mareas se han desarrollado rápidamente. Tiene las características de dependencia geográfica intermitente, aleatoria y fuerte. Con el fin de resolver las limitaciones de tiempo y espacio de la generación de energía con nueva energía y mejorar la tasa de utilización de la nueva energía, la importancia de la tecnología de almacenamiento de energía se ha vuelto cada vez más importante. Según los métodos de conversión y almacenamiento de energía eléctrica, las tecnologías de almacenamiento de energía se dividen en almacenamiento de energía física, almacenamiento de energía química y almacenamiento de energía electroquímica. Entre ellos, el almacenamiento de energía electroquímica incluye tecnología de batería secundaria y supercondensadores, que tienen las características de alta eficiencia de conversión de energía y velocidad de respuesta rápida. Especialmente la tecnología de batería secundaria también tiene las ventajas de una alta densidad de energía y una fácil modularización.

La batería secundaria, también conocida como batería recargable o acumulador, es un dispositivo que utiliza reacciones químicas reversibles y puede cargarse y descargarse repetidamente para convertir la energía eléctrica y la energía química entre sí para lograr el almacenamiento de energía. La capacidad de una batería secundaria para almacenar energía se expresa mediante la densidad de energía (también llamada energía específica), es decir, la energía total que puede producir la batería por unidad de masa o volumen, que es el producto de la capacidad específica y la voltaje de descarga promedio. La capacidad específica está teóricamente determinada por la masa molar de las sustancias que participan en la reacción del electrodo y el número de electrones ganados y perdidos. Por lo tanto, cuanto mayor sea la relación carga-masa del portador de carga, mayor será la capacidad específica teórica de la batería. Teóricamente, el voltaje de descarga está determinado principalmente por la diferencia de potencial y la resistencia interna de los materiales positivo y negativo. Por lo tanto, cuanto mayor sea el potencial del electrodo positivo, menor será el potencial del electrodo negativo y cuanto menor sea la resistencia interna de la batería, mayor será el voltaje de descarga. En segundo lugar, el portador de carga debe tener una buena capacidad de transporte y actividad cinética, lo que afecta directamente la capacidad de velocidad y la densidad de potencia de la batería. Finalmente, factores como la reversibilidad de las reacciones de los electrodos y las reacciones secundarias determinan el rendimiento del ciclo y la vida útil de las baterías secundarias. Los metales alcalinos representados por el litio tienen el potencial de electrodo redox más bajo, una gran relación carga-masa de iones y baja energía de desolvatación, por lo que se han probado como materiales de ánodo para baterías secundarias desde la década de 1960. Las primeras baterías de iones de litio usaban litio metálico o aleación de litio como electrodo negativo y haluros de metales de transición (como AgCl, CuCl, NiF2, etc.) como electrodo positivo, pero estos materiales de electrodos positivos tienen poca conductividad, fácil de disolver, y el volumen de carga y descarga cambia drásticamente, y es difícil de resolver. A fines de la década de 1960, se descubrió que los compuestos de calcogenuro de metal de transición representados por TiS2 tienen capacidades de intercalación y desintercalación entre capas, que pueden usarse como materiales de cátodo para baterías de iones de litio y tienen una alta conductividad eléctrica y reactividad electroquímica. 2.2 V, con valor práctico. Sin embargo, la alta actividad del litio metálico hace que los accidentes de la batería sean frecuentes, lo que obliga a las personas a utilizar compuestos de intercalación de litio (como el grafito de intercalación de litio) como electrodo negativo. Este es el concepto de “batería de mecedora”: utilizando compuestos de bajo potencial de intercalación como electrodos negativos, el compuesto de alto potencial de intercalación actúa como electrodo positivo, evitando el problema de las dendritas de metales alcalinos. Dado que el potencial del electrodo negativo del compuesto de intercalación de litio es mayor que el del litio metálico, el voltaje general y la densidad de energía de la batería se reducen, lo que obliga a las personas a buscar nuevos materiales de electrodos positivos y ha descubierto sucesivamente electrodos positivos. materiales tales como cobaltato de litio, manganato de litio y fosfato de hierro y litio.

La capacidad de costo y tasa de la batería de iones de sodio tiene ventajas sobre la batería de iones de litio. El sodio y el litio pertenecen a la misma familia en la tabla periódica, tienen el mismo número de electrones de valencia y tienen propiedades químicas más activas. Debido a que la masa atómica y el radio del sodio son mucho mayores que los del litio, la densidad de energía de la batería de iones de sodio es obviamente difícil de comparar con las baterías de iones de litio, pero la abundancia natural de sodio es abundante. El grado de densidad es más de mil veces mayor que el del litio, y la energía de desolvatación de los iones de sodio es mucho menor que la de los iones de litio. La batería de iones de sodio apareció en la década de 1970 casi al mismo tiempo que la batería de iones de litio, pero el proceso de investigación de las dos es ligeramente diferente. La batería secundaria de sodio que apareció por primera vez en ese momento era una batería de azufre de sodio, con azufre elemental y sodio metálico como electrodos positivo y negativo, conductor de iones rápidos de β-alúmina como electrolito sólido, y la temperatura de trabajo era de 300 ~ 350 ° C. Esta batería de sodio-azufre de alta temperatura tiene una alta densidad de energía (150~240Wh/kg) y un ciclo de vida de 2500 veces, mientras que la batería similar de litio-azufre tiene un ciclo de vida de menos de 10 veces. Con el fin de mejorar la seguridad de las baterías secundarias de sodio, se han desarrollado baterías de iones de sodio a temperatura ambiente, utilizando una idea similar a las baterías de iones de litio, el material del cátodo se ha sometido a capas de sulfuro metálico de transición (TiS2) a óxido en capas (NaxCoO2) y fosfato. (Na3M2(PO4)3, M es un metal de transición). Pero a fines de la década de 1980, la investigación sobre la batería de iones de sodio estaba fría y la investigación relacionada casi se detuvo. Hay tres razones para esto: primero, es difícil encontrar un material de ánodo adecuado (el grafito que puede almacenar litio de manera eficiente en solventes de éster es difícil de almacenar sodio); en segundo lugar, las condiciones de investigación son limitadas (el contenido de agua y oxígeno del sistema es alto y es difícil usar sodio metálico como electrodo de referencia para los experimentos de evaluación de materiales); tercero, las baterías de iones de litio ocuparon el primer lugar (un gran número de investigadores anclaron la dirección en las baterías de iones de litio).

Hasta el siglo XXI, la batería de iones de sodio marcó el comienzo de un punto de inflexión. En 21, se descubrió que el material de carbono duro obtenido por la pirólisis de la glucosa tiene una capacidad específica de almacenamiento de sodio de hasta 2000 mA h/g, lo que proporciona un material de ánodo crucial para la batería de iones de sodio. En 300, se encontró el material del cátodo de polianiones Na2007FePO2F, y la tasa de deformación del volumen de este material fue solo del 4%, casi sin tensión. De 3.7 a 2000, la velocidad de investigación de la batería de iones de sodio fue relativamente lenta, principalmente concentrada en unos pocos equipos experimentales. Después de 2010, la investigación sobre la batería de iones de sodio entró en la primavera y surgieron nuevos sistemas de materiales, y están tratando de industrializarse gradualmente.

batería de iones de sodio pasado y presente

Principio de funcionamiento y materiales: similar a las baterías de litio

El principio de funcionamiento de la batería de iones de sodio es exactamente el mismo que el de la batería de iones de litio, es decir, bajo ciertas condiciones potenciales, la desorción reversible y la intercalación de iones de metales alcalinos invitados en el material huésped, en el que se utiliza el mayor potencial de intercalación. como electrodo positivo, y el potencial de intercalación más bajo se usa como electrodo positivo. El electrodo negativo, el proceso del ciclo de carga y descarga de toda la batería es el proceso de migración direccional de ida y vuelta de los iones de metales alcalinos entre los electrodos positivo y negativo. La batería con este mecanismo de trabajo es la “batería de silla mecedora” propuesta por M. Armand. La estructura de composición de la batería de iones de sodio es exactamente la misma que la de los iones de litio, e incluye principalmente electrodo positivo, electrodo negativo, electrolito, separador y colector de corriente. Según si el anfitrión del material participa directamente en el proceso de reacción electroquímica, se pueden dividir en materiales activos y materiales inactivos.

Materiales activos: electrodo positivo, electrodo negativo, electrolito

Los materiales activos de la batería de iones de sodio incluyen material de electrodo positivo, material de electrodo negativo y material de electrolito, que participan directamente en la reacción electroquímica y, por lo tanto, determinan las características intrínsecas de la batería. Dado que el radio y la estructura electrónica de los iones de sodio son bastante diferentes de los de los iones de litio, la termodinámica y los comportamientos cinéticos de las reacciones son bastante diferentes, por lo que la investigación y el desarrollo de materiales activos para las baterías de iones de sodio no pueden imitar completamente las baterías de iones de litio.

(1) Material del cátodo: óxido, azul de Prusia, polianión tres líneas principales

El material del electrodo positivo experimenta una reacción de oxidación durante la carga y una reacción de reducción durante la descarga, y generalmente tiene un alto potencial de reducción. El material del cátodo ideal debe cumplir con los requisitos de alto potencial de reducción (pero debe ser menor que el potencial de oxidación del electrolito), gran capacidad reversible, ciclo estable, alta conductividad electrónica e iónica, estructura estable y sin miedo al aire, alta seguridad , y bajo precio. Para las baterías de iones de sodio, la capacidad específica teórica de los materiales de cátodo existentes es relativamente baja, por lo que se convierte en uno de los principales determinantes de la capacidad total de la batería. En la actualidad, los materiales del cátodo de las baterías de iones de sodio se dividen principalmente en cinco tipos: óxidos, polianiones, azul de Prusia, fluoruros y compuestos orgánicos. Los primeros tres tipos tienen la mayor madurez y han entrado en la etapa inicial de industrialización. .

Óxidos: la tecnología más madura, alta capacidad específica y los tipos más abundantes

Los materiales de cátodo a base de óxido son generalmente óxidos de metales de transición, incluidos principalmente óxidos en capas y óxidos de túnel. La investigación sobre óxidos en capas es la más antigua y extensa. En comparación con las baterías de iones de litio, los cátodos de óxido en capas con solo tres elementos, Mn, Co y Ni, tienen actividad electroquímica reversible. Las baterías de iones de Na tienen un rango de selección más amplio. El cuarto ciclo Los metales de transición de Ti a Ni tienen una alta actividad y sus mecanismos de trabajo son más complicados, a menudo acompañados de múltiples comportamientos de transición de fase. La fórmula general de los óxidos estratificados es NaxMO2, donde M es un metal de transición. Los tipos estructurales comunes incluyen principalmente el tipo O3 y el tipo P2. El primero tiene una capacidad específica más alta pero un rendimiento de tasa y ciclo pobre; este último tiene mejor tasa y rendimiento del ciclo. , pero la capacidad específica real es ligeramente inferior. Además, los óxidos estratificados tienden a ser susceptibles a la hidrólisis higroscópica en el aire. En esta etapa, los óxidos en capas tienen una alta densidad de energía y una tecnología de preparación madura, y se espera que tomen la delantera en la industrialización, especialmente los óxidos en capas de tipo P2 con mejor estabilidad. Los óxidos de tipo túnel tienen una estructura de poros tridimensional y a menudo se encuentran en óxidos con bajo contenido de sodio. Tienen un excelente rendimiento de ciclo y velocidad y son estables al agua y al oxígeno, pero su capacidad específica es demasiado baja. En el futuro, los óxidos de túnel pueden tener ventajas competitivas potenciales en la investigación y el desarrollo de cátodos ricos en sodio y baterías acuosas de iones de sodio.

Azul de Prusia: bajo costo de material, alta capacidad específica, altas barreras técnicas

Los materiales del cátodo azul de Prusia son polímeros de coordinación de cianuro de metal de transición con la fórmula general AxM1 [M2 (CN)6]1-y·□y·nH2O, donde A es un ion de metal alcalino, M1 y M2 son iones de metal de transición (coordinados con N y C, respectivamente), □ es un defecto de vacante [M2(CN)6]. Debido a la estructura electrónica única de la doble coordinación del cianuro y el espacio tridimensional abierto, el material tiene las ventajas de una estructura estable, una tasa rápida de intercalación y desintercalación y una gran capacidad específica. Además, los metales de transición centrales de tales materiales son principalmente metales baratos como el Fe y el Mn, y las materias primas están fácilmente disponibles y son de bajo costo. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, el contenido de agua de la red (incluida el agua cristalina y el agua adsorbida) y la densidad de defectos de vacantes del material restringirán seriamente el rendimiento de la batería, lo que resultará en la reducción de su capacidad de utilización, eficiencia energética y ciclo de vida. Vale la pena mencionar que los investigadores descubrieron recientemente que la batería de iones de sodio que utiliza material de cátodo azul de Prusia liberará cianuro de hidrógeno y gas cianuro altamente tóxicos en condiciones de fuga térmica, y el mecanismo de descomposición térmica está estrechamente relacionado con el agua de red y los defectos de vacantes. Estrechamente relacionado, se puede ver que esta tecnología tiene requisitos más altos en la calidad del material. Además, la preparación de este material involucra cianuro de sodio altamente tóxico, lo que requiere calificaciones especiales en la producción y suministro.

Polianiones: la mejor seguridad, capacidad específica demasiado baja, alto costo de material

Los materiales de cátodo basados ​​en polianiones se refieren a sales dobles que contienen sodio cuya estructura cristalina está construida por una serie de unidades de aniones tetraédricos y poliédricos, con la fórmula general NaxMy(XaOb)zZw. , donde M es un catión como un metal de transición o un metal alcalinotérreo, X es un elemento altamente electronegativo como el fósforo o el azufre y Z es un anión como el flúor o el hidróxido. Las unidades poliédricas aniónicas de este tipo de material tienen un fuerte enlace covalente, por lo que la estructura cristalina es muy estable y su estabilidad química, estabilidad térmica y estabilidad electroquímica son altas, por lo que tiene un buen ciclo de vida y seguridad. , y su plataforma de voltaje tiende a ser amplia. En segundo lugar, los electrones de valencia de los iones de metales de transición tienen un alto grado de localización y esta estructura electrónica puede utilizar fácilmente el efecto inductivo de elementos fuertemente electronegativos para mejorar el voltaje de trabajo del material. Sin embargo, debido a su característica de ancho de banda prohibida, la conductividad electrónica intrínseca es muy baja, lo que limita en gran medida su capacidad de velocidad y debe modificarse agregando agentes conductores o nanoescala. Además, la capacidad específica de este material es generalmente baja. En la actualidad, los materiales polianiónicos más típicos son principalmente los fosfatos, representados por NaFePO4 de tipo olivino y Na3V2(PO4)3 de tipo NASICON. La estructura de NaFePO4 es la misma que la del fosfato de hierro y litio, pero la síntesis debe basarse en un método de intercambio iónico complejo y el costo es alto. Na3V2(PO4)3 tiene un rendimiento de velocidad y un ciclo de vida excelentes, pero la capacidad específica es menor que la de los materiales de tipo olivino. Además, también se están estudiando nuevos materiales polianiónicos como pirofosfato, sulfato y molibdato. Estos sistemas han mejorado el voltaje operativo y el rendimiento de la tasa, pero todavía hay muchos problemas, como una baja capacidad específica real y una mala reversibilidad del ciclo. defecto.

Fluoruros: materiales relativamente baratos, difíciles de poner en práctica

Los fluoruros de metales de transición tienen un alto potencial de reducción similar a los óxidos, y la intercalación y desintercalación de los iones de sodio se puede lograr a través de la conversión de valencia de los iones de metales de transición, por lo que también son materiales catódicos potenciales. El mayor problema de este tipo de material es que la resistividad es demasiado alta, lo que afecta seriamente su rendimiento nominal, y la capacidad específica real es generalmente baja. Hasta ahora, los materiales de fluoruro con mayor capacidad específica son los fluoruros a base de hierro, típicamente representados por NaFeF3 (128 mAh/g reales, 197 mAh/g teóricos). Además, algunos materiales de fluoruro de hierro hidratado tienen una alta capacidad específica, como Fe2F5 H2O (inicial 251 mAh/g), pero el rendimiento del ciclo sigue siendo deficiente.

Compuestos orgánicos: no dependientes de recursos minerales, aún en etapa de investigación

Ciertos compuestos orgánicos con abundantes sistemas conjugados y pares de electrones solitarios pueden sufrir reacciones redox reversibles, por lo que también pueden usarse para desarrollar materiales catódicos. Las ventajas de este tipo de material es que no necesita depender de recursos de metales de transición, y su estructura y propiedades son fáciles de diseñar y controlar, por lo que tiene cierto potencial. Sin embargo, todavía hay defectos significativos en esta etapa: la conductividad es generalmente baja y es propensa a la disolución. En la actualidad, existen principalmente polímeros conductores de sistemas conjugados (tales como polianilina modificada, polipirrol, etc.), compuestos de carbonilo conjugados (tales como derivados aromáticos de fenato de sodio, carboxilato de sodio) y similares.

(2) Materiales del ánodo: los materiales a base de carbono son los más maduros y se espera que tomen la delantera en la industrialización.

El material del electrodo negativo sufre una reacción de reducción durante la carga y una reacción de oxidación durante la descarga, y generalmente tiene un potencial de reducción más bajo. El material del cátodo ideal debe cumplir con los requisitos de bajo potencial de reducción (pero debe ser mayor que el potencial de deposición de sodio metálico), gran capacidad reversible, rendimiento de ciclo estable, alta conductividad electrónica e iónica, estructura estable y sin miedo al aire, alta seguridad , y bajo precio. Para una batería de iones de sodio, el material del electrodo negativo juega un papel importante en la carga y liberación de iones de sodio, lo que afecta directamente el rendimiento dinámico general de la batería, como el rendimiento de la tasa, la densidad de potencia, etc. En la actualidad, los materiales del ánodo de sodio La batería de iones se divide principalmente en cinco tipos: materiales a base de carbono, materiales a base de titanio, materiales de aleación, compuestos orgánicos y otros sistemas. Entre ellos, los materiales a base de carbono tienen la mayor madurez tecnológica y son ricos en recursos, y se espera que tomen la delantera en la realización de la industrialización. cambio.

Materiales a base de carbono: el carbono blando y el carbono duro tienen sus propios méritos, y los electrodos negativos de grafito aún están en estudio

De acuerdo con la microestructura de los átomos de carbono, los materiales de ánodo a base de carbono se dividen en materiales a base de grafito, materiales de carbono amorfo y materiales de nanocarbono. A diferencia de otros iones de metales alcalinos, es difícil que los iones de sodio se intercalen efectivamente entre las capas de grafito en solventes de carbonato, lo que se debe principalmente al ΔG>0 de la reacción de intercalación de ion de sodio-grafito. Por lo tanto, el ánodo de grafito, que se usa mucho en las baterías de iones de litio, es difícil de usar en las baterías de iones de sodio con carbonato como disolvente. De hecho, en los solventes de éter, el grafito también puede insertar y eliminar de manera efectiva los iones de sodio, pero la estabilidad del electrolito se debilita y es fácil reaccionar con el electrodo positivo, lo que requiere más estudio. Los materiales de carbono amorfo tienen una alta capacidad específica de almacenamiento de sodio y también son los materiales de ánodo que están más cerca de la industrialización en la actualidad. Según la dificultad de la grafitización del tratamiento térmico, se divide en carbono blando y carbono duro. El carbono blando se puede grafitar por completo a temperaturas superiores a 2800 °C, y el carbono duro también es difícil de grafitar a altas temperaturas. La diferencia entre el carbono blando y el duro radica en las interacciones de reticulación de las capas de carbono en la microestructura, que depende fundamentalmente de la estructura y la forma del precursor de carbonización utilizado. En términos generales, los precursores termoplásticos (materias primas y subproductos petroquímicos) tienden a formar carbón blando, mientras que los precursores termoestables (biomasa, polímeros de resina, etc.) tienden a formar carbón duro. En términos relativos, el costo de fabricación del carbón blando es más bajo, el proceso es fácil de controlar, pero la capacidad específica no es tan buena como la del carbón duro; la capacidad específica del carbón duro es mayor, pero la eficiencia del primer ciclo suele ser menor y su rendimiento depende del precursor utilizado y del tratamiento. proceso, el rendimiento de carbono es bajo. Vale la pena mencionar que el mecanismo de almacenamiento de sodio de los materiales de carbono duro aún no se comprende por completo y todavía hay mucho margen de mejora. Los nanomateriales de carbono incluyen principalmente grafeno y nanotubos de carbono, y los iones de sodio se almacenan principalmente en su superficie y defectos por adsorción. La capacidad específica teórica de estos materiales es grande, pero la eficiencia de Coulombic de la primera semana es baja, el potencial de reacción es alto y el precio es alto. caro.

Materiales a base de titanio: ventajas potenciales únicas, difíciles de comercializar a corto plazo

El potencial de reducción del titanio tetravalente es generalmente bajo, sus compuestos son estables al aire y los compuestos de titanio con diferentes estructuras cristalinas tienen diferentes potenciales de almacenamiento de sodio, por lo que se utilizan para desarrollar materiales anódicos. En la actualidad, los materiales a base de titanio son principalmente algunos óxidos de titanio y compuestos polianiónicos. Los óxidos incluyen capas de Na2Ti3O7, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 y tipo espinela Li4Ti5O12 (también utilizado en electrodos negativos de baterías de iones de litio), etc. Los compuestos polianiónicos incluyen NaTiOPO4 ortogonal, tipo NASICON de NaTi2(PO4)3. La capacidad específica de estos materiales generalmente no es alta, pero tienen muchas ventajas únicas. Por ejemplo, Li4Ti5O12 es un material libre de tensión, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 puede actuar como material tanto positivo como negativo, y NaTi2(PO4)3 para baterías de iones de sodio a base de agua.

Materiales de aleación: enorme capacidad específica teórica, dificultades técnicas a superar

El sodio metálico puede formar aleaciones con Sn, Sb, In y otros metales, y puede usarse como electrodo negativo de la batería de iones de sodio, que es similar al electrodo negativo basado en silicio de la batería de iones de litio. Las ventajas de este tipo de material son la alta capacidad específica teórica y el bajo potencial de reacción, por lo que se espera fabricar baterías de iones de sodio con alta densidad energética y alto voltaje. Sin embargo, la cinética de reacción de estos materiales es pobre y el cambio de volumen antes y después de la desintercalación con sodio puede ser varias veces. Con la gran tensión, es fácil que el material activo se caiga de la superficie del colector actual y la capacidad específica decae rápidamente.

Compuestos orgánicos: condiciones suaves de síntesis, aún en etapa de investigación

Las ventajas y desventajas de los materiales orgánicos del ánodo son similares a las de los materiales orgánicos del cátodo. Los tipos actuales incluyen principalmente compuestos de carbonilo, compuestos de base de Schiff, compuestos de radicales orgánicos y sulfuros orgánicos, que aún se encuentran en etapa de investigación de laboratorio.

Otros sistemas: los compuestos V y VI, en su mayoría metales de transición, aún están en etapa de investigación.

Algunos óxidos, sulfuros, seleniuros, nitruros y fosfuros de metales de transición también tienen actividad electroquímica para el almacenamiento reversible de sodio. Dichos materiales a menudo van acompañados de reacciones de conversión y reacciones de aleación, por lo que su capacidad específica teórica puede superar los materiales de ánodo de aleación correspondientes, pero también problemas más técnicos.

(3) Material de electrolito: principalmente electrolito líquido, la forma es la misma que la de la batería de litio

El electrolito es un puente para la transferencia de material entre electrodos positivos y negativos. Se utiliza para transportar iones para formar un circuito cerrado. Es una garantía importante para el mantenimiento de las reacciones electroquímicas. No solo afecta directamente la velocidad, el ciclo de vida, la autodescarga y otros rendimientos de la batería, sino que también determina la estabilidad y seguridad de la batería. uno de los elementos centrales de la sexualidad. Según la forma física, el electrolito de la batería de iones de sodio se puede dividir en electrolito líquido y electrolito sólido.

Electrolito líquido: similar a las baterías de litio, las sales de litio se convierten en sales de sodio

Los electrolitos líquidos a menudo se denominan electrolitos y generalmente consisten en solventes, solutos y aditivos. Dado que el límite superior de la ventana electroquímica del agua no supera los 2 V, el solvente es un solvente orgánico aprótico polar, que no solo puede disolver una gran cantidad de sales de sodio, sino que tampoco puede liberar hidrógeno de protones, y también tiene un cierto anti- capacidad de oxidación-reducción. Tiene una viscosidad más baja. Por lo tanto, los carbonatos con alta constante dieléctrica y alta viscosidad generalmente se usan en combinación con éteres con baja constante dieléctrica y baja viscosidad, por lo que el electrolito es altamente inflamable. Los solutos son principalmente sales de sodio con aniones de gran radio, que se dividen en sales de sodio inorgánicas y sales de sodio orgánicas. Sales de sodio, etc. En general, las sales de sodio orgánicas son más estables, mientras que las sales de sodio inorgánicas son menos costosas. Actualmente se espera que logre una aplicación industrial principalmente el hexafluorofosfato de sodio, que tiene una conductividad relativamente mejor, pero es muy sensible al agua. El contenido de aditivos en el electrolito es inferior al 5%, principalmente algunos compuestos como sales de sodio, ésteres, nitrilos, éteres, etc., que desempeñan un papel en ayudar a la formación de película SEI y película CEI, protección contra sobrecarga y llama. retardante

Electrolito de estado sólido: para electricidad de sodio de estado sólido, aún en etapa de investigación

Los materiales electrolíticos de estado sólido incluyen principalmente tres tipos: electrolitos inorgánicos de estado sólido, electrolitos poliméricos de estado sólido y electrolitos compuestos de estado sólido. Debido a que se evitan los solventes orgánicos inflamables y explosivos, la seguridad de la batería se ha mejorado sustancialmente y la ventana electroquímica se ha ampliado considerablemente, lo que hace posible el uso de materiales catódicos de alto potencial y ánodos metálicos de sodio, lo que mejora en gran medida la energía. densidad de toda la batería. . Además, debido a la barrera de electrolito sólido rígido entre los electrodos positivo y negativo, ya no se requiere un separador separado, y con el proceso de electrodo bipolar, la densidad de energía del sistema de la batería puede mejorarse aún más. Estos materiales se enfrentan actualmente a problemas como la baja conductividad a temperatura ambiente y la alta impedancia de interfaz, y su industrialización llevará tiempo.

1.2.2. Materiales inactivos: diafragmas, colectores de corriente, agentes conductores, aglutinantes

Los materiales inactivos en la batería de iones de sodio incluyen principalmente diafragmas, colectores de corriente, agentes conductores, aglutinantes, etc. No participan directamente en la reacción electroquímica, pero son materiales auxiliares esenciales, y su compatibilidad con materiales activos y otros factores tendrán un impacto significativo en el rendimiento de la batería.

(1) Diafragma: común a las baterías de iones de litio

La función del separador es separar físicamente los electrodos positivo y negativo para evitar el contacto directo y la reacción entre ambos, y al mismo tiempo asegurar la infiltración y penetración de las moléculas del solvente, permitiendo el paso rápido de los iones de sodio solvatados. El material separador ideal debe tener buen aislamiento electrónico y conductividad iónica, alta resistencia mecánica y lo más delgado posible, alta inercia química (no reaccionar con electrolito, ni reaccionar con electrodos positivo y negativo), y buena estabilidad térmica sexual. Los separadores de polímeros de poliolefina, como PE, PP y películas compuestas, se usan ampliamente en baterías de iones de litio, y estos materiales separadores se pueden trasplantar directamente al sistema de baterías de iones de sodio. En el futuro, en el sistema de batería de iones de sodio de estado sólido, el material del diafragma ya no será necesario.

(2) Colector de corriente: los electrodos positivo y negativo están hechos de papel de aluminio

El colector de corriente es el elemento base al que se unen los materiales activos positivo y negativo, lo que representa alrededor del 10-13 % del peso de la batería, y se utiliza para recoger la corriente generada por el material del electrodo y liberar la conducción hacia el exterior. . Aunque el colector de corriente no participa en la reacción del electrodo, es la garantía fundamental para el rendimiento del material del electrodo, y su pureza, espesor, tensión y otros parámetros afectan indirectamente el rendimiento de trabajo real del electrodo. Los materiales utilizados como colectores de corriente deben tener excelente conductividad eléctrica, baja resistencia de contacto con materiales activos, alta inercia química (no reaccionar con electrolitos y electrodos positivo y negativo), buena procesabilidad y propiedades mecánicas estables. En las baterías de iones de litio, el colector de corriente del electrodo positivo es una lámina de aluminio y el colector de corriente del electrodo negativo es una lámina de cobre para evitar la aleación de aluminio y litio en condiciones de bajo potencial. En las baterías de iones de sodio, dado que el sodio y el aluminio no experimentan una reacción de aleación, las láminas de aluminio se pueden usar para colectores de corriente positiva y negativa, evitando las láminas de cobre relativamente caras.

(3) Agente conductor: igual que la batería de iones de litio

Cuando se utiliza el material del electrodo, también es necesario agregar un agente conductor, que tiene tres funciones principales: reducir la autopolarización del material del electrodo, reducir la resistencia de contacto entre las partículas del material activo y entre el colector de corriente, adsorber el electrolito y mejorando la infiltración del electrodo Efecto. Los agentes conductores comúnmente utilizados son materiales de carbono con una gran superficie específica y buena conductividad, como el negro de humo, el polvo de grafito, los nanotubos de carbono y el grafeno.

(4) Carpeta: igual que la batería de iones de litio

La función del aglutinante es combinar el material del electrodo, el agente conductor y el colector de corriente para formar una pieza polar completa que se pueda utilizar. El material utilizado como aglutinante debe tener buena estabilidad, ser fácil de procesar y ser de bajo costo. Los aglutinantes comúnmente utilizados para las baterías de iones de sodio son similares a las baterías de iones de litio, en su mayoría polímeros polares fuertes, como fluoruro de polivinilideno (PVDF), alginato de sodio (SA), ácido poliacrílico (PAA), carboximetilcelulosa de sodio (CMC), politetrafluoroetileno (PTFE) , etc.

Proceso y ruta de fabricación: en la misma línea que las baterías de litio

1.3.1. Síntesis de material de electrodo: solo el azul de Prusia es especial

El método de síntesis del material del cátodo de la batería de iones de sodio debe determinarse de acuerdo con la categoría específica del material, que se divide principalmente en método de reacción en fase sólida y método de síntesis en fase líquida. Los materiales de óxido y polianión se pueden sintetizar mediante el método de reacción en fase sólida o el método de síntesis en fase líquida. El proceso de síntesis es básicamente el mismo que el de los materiales correspondientes para las baterías de iones de litio, por lo que la línea de producción puede ser compatible hasta cierto punto. En la actualidad, el método de reacción en fase sólida es el más utilizado en la industria. La uniformidad del producto preparado por este método tiene ciertas limitaciones, pero la operación es simple y el proceso tecnológico es corto, lo cual es adecuado para la producción a gran escala. El método de síntesis en fase líquida tiene una alta uniformidad del producto, pero es relativamente costoso, requiere un equipo pesado y tiene una gran cantidad de aguas residuales. Además, existen tecnologías como el método sol-gel, el método de síntesis por microondas, el método de secado por aspersión, el método de intercambio iónico, etc., que generalmente tienen un costo elevado y no son adecuadas para la producción industrial por el momento.

1.3.2. Las baterías se ensamblan en grupos: el proceso de ensamblaje y la clasificación de apariencia son los mismos que los de las baterías de iones de litio

Al igual que las baterías de iones de litio, la producción de baterías de iones de sodio también se somete a procesos como la reducción a pulpa, el recubrimiento, el ensamblaje, la inyección de líquido y la formación química. Entre ellos, el proceso de ensamblaje consiste principalmente en combinar las placas positivas y negativas completas a través de la capa intermedia del diafragma para establecer el camino de los iones de sodio dentro de la batería y aislar los electrodos positivo y negativo para evitar cortocircuitos internos. El proceso de ensamblaje sigue la tecnología de las baterías de iones de litio y se divide en procesos de bobinado y laminación. El primero se divide además en devanado cilíndrico y devanado cuadrado. Además, el diseño estructural y el proceso de empaque de los productos de batería de iones de sodio básicamente siguen a la batería de iones de litio, y la apariencia se divide aproximadamente en tres categorías: cilíndrico, paquete blando y carcasa dura cuadrada, cada uno con sus propias ventajas y desventajas.

Comparación horizontal: batería de sodio frente a batería de litio, flujo de líquido, ácido de plomo

A medida que avanza la industrialización de las baterías de iones de sodio, seguramente tendrá diversos grados de impacto en otras tecnologías de baterías secundarias. Las primeras en llevar la peor parte son las baterías de iones de litio, así como las baterías de flujo y las baterías de plomo-ácido que se han utilizado ampliamente en el mercado durante mucho tiempo. En esta sección, predecimos brevemente el panorama competitivo futuro de la batería de iones de sodio a través de la comparación horizontal entre la batería de iones de sodio y las tres tecnologías de batería anteriores.

Batería de sodio frente a batería de litio: rendimiento comparable al fosfato de hierro y litio, rendimiento de costo integral o superior

La batería de iones de sodio es un suplemento y una extensión de la batería de iones de litio, no una relación de reemplazo completa. En primer lugar, en términos de rendimiento, el sistema de batería de iones de litio existente no es perfecto: las baterías de cátodo ternario tienen una alta densidad de energía, pero un ciclo de vida reducido; las baterías de cátodo de fosfato de hierro y litio tienen una vida útil prolongada, pero una densidad de energía baja; baterías de cátodo de manganato de litio El voltaje de trabajo es alto, pero la densidad de energía y el ciclo de vida son pobres. Además, las baterías de iones de litio son propensas a una disminución severa de la capacidad a bajas temperaturas, lo que requiere un sistema de control de temperatura, que consume al menos el 5 % de la energía del sistema de la batería y aumenta el costo de fabricación. Por el contrario, la densidad de energía del sistema de batería de iones de sodio existente se ha acercado a la del fosfato de hierro y litio; aunque el ciclo de vida no es tan bueno como el del fosfato de hierro y litio, es significativamente mejor que los materiales ternarios y el manganato de litio.

En segundo lugar, desde la perspectiva de la seguridad, dado que la temperatura inicial de fuga térmica de la batería de iones de sodio es ligeramente más alta que la de la batería de iones de litio, se ha mejorado la seguridad a nivel de celda, pero ambas baterías deben usar materiales orgánicos altamente inflamables. electrolitos, existe riesgo de deflagración en condiciones de fuga térmica. A partir de los experimentos destructivos actuales, como la perforación de celdas, la seguridad real de la batería de iones de sodio puede ser similar a la de la batería de fosfato de hierro y litio.

Finalmente, desde la perspectiva del costo, la batería de iones de sodio puede reducir efectivamente el costo de las materias primas. Primero, los compuestos de litio en los materiales activos (cátodo, electrolito) se reemplazan por compuestos de sodio en su conjunto, y los metales baratos como el hierro y el manganeso han reemplazado en gran medida a los metales más caros como el cobalto y el níquel en el cátodo; segundo, el sodio metálico no se forma con el aluminio metálico. Aleación eutéctica, los colectores de corriente positiva y negativa pueden estar hechos de papel de aluminio barato, reemplazando los colectores de corriente de electrodo negativo de cobre más caros en la batería de iones de litio original; en tercer lugar, porque el radio de Stokes de los iones de sodio es más pequeño que el de los iones de litio, por lo que la cantidad de soluto en el electrolito puede reducirse considerablemente. En el futuro, es probable que la batería de iones de sodio forme una fuerte relación competitiva con las baterías de fosfato de hierro y litio, especialmente en las regiones alpinas; Las baterías de iones de litio continuarán desarrollándose en la dirección de una alta densidad de energía y un alto voltaje de trabajo, y gradualmente se convertirán en baterías de estado sólido, etc. Nuevas iteraciones tecnológicas.

Electricidad de sodio vs flujo líquido: las ventajas y desventajas son altamente complementarias, o están de lado a lado en el mercado de almacenamiento de energía

La batería de iones de sodio y la batería de flujo tienen una fuerte complementariedad, la primera es adecuada para el almacenamiento de energía pequeño y flexible, y la segunda es adecuada para el almacenamiento de energía a gran y mediana escala. Una batería de flujo es un dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica de fase líquida (principalmente sistema de fase de agua), que se caracteriza porque el material de trabajo activo se disuelve en el electrolito, y el almacenamiento y la liberación de energía se realizan cambiando el estado de valencia de oxidación de el material activo. Los representantes incluyen baterías de flujo de vanadio, baterías de flujo de hierro-cromo y baterías de flujo de zinc-bromo. La mayor ventaja de la batería de flujo radica en la seguridad intrínseca de su sistema de fase acuosa y su ciclo de vida ultralargo, que es especialmente adecuado para instalaciones de almacenamiento de energía electroquímica medianas y grandes, pero las desventajas son la baja densidad de energía y la temperatura de funcionamiento estrecha. rango, por lo que es difícil de miniaturizar o aplicar a las regiones alpinas. Por el contrario, la densidad de energía de una batería de iones de sodio es aproximadamente tres veces mayor que la de una batería de flujo y puede soportar una temperatura baja de -40 °C, pero su seguridad intrínseca y su ciclo de vida no son tan buenos como los de una batería de flujo. En el futuro, se espera que la batería de iones de sodio y la batería de flujo se complementen entre sí en el campo del almacenamiento de energía. Por ejemplo, los pequeños dispositivos domésticos y móviles de almacenamiento de energía tienen mayores requisitos de densidad de energía y son adecuados para el uso de baterías de iones de sodio; Las centrales eléctricas de almacenamiento de energía electroquímica de tamaño grande y mediano tienen mayores requisitos de seguridad y son adecuadas para el uso de baterías de flujo.

Batería de sodio frente a ácido de plomo: reemplace gradualmente el ácido de plomo tradicional, lo que obliga a este último a actualizarse iterativamente

Se espera que las baterías de iones de sodio reemplacen gradualmente a las baterías de plomo-ácido tradicionales, forzando el desarrollo de nuevas tecnologías como las baterías de plomo-carbono. La aplicación industrial de las baterías de plomo-ácido tiene más de un siglo y medio, y su circuito cerrado industrial de “producción-consumo-reciclado” ha sido muy completo. Las ventajas son bajo costo, fácil reciclaje y buena seguridad. Las desventajas son baja densidad de energía, ciclo de vida corto, la carga lleva mucho tiempo. En la actualidad, las baterías de plomo-ácido siguen desarrollándose y actualizándose continuamente. La más representativa es la “batería de plomo-carbono” que integra tecnología de supercondensadores. Su ciclo de vida es de hasta 3,000 veces, tiene una capacidad de carga rápida y conserva las características de la batería de plomo-ácido original. Seguridad y otras ventajas, pero la densidad de energía se reduce aún más y el costo de fabricación también aumenta en consecuencia. Por el contrario, la mayor parte del rendimiento de las baterías de iones de sodio es mejor que el de las baterías de plomo-ácido tradicionales. En el futuro, a medida que el costo se reduzca aún más, se espera que reemplace gradualmente las baterías de plomo-ácido tradicionales. Al mismo tiempo, el auge de las baterías de iones de sodio puede acelerar indirectamente el proceso de actualización e iteración de las baterías de plomo-ácido tradicionales a las baterías de plomo-carbono. En el futuro, las baterías de plomo-ácido pueden renacer en forma de baterías de plomo-carbono, en lugar de retirarse por completo de la etapa histórica. (Fuente del informe: Instituto del Informe)

Estado de la industria de baterías de sodio

En la actualidad, hay cerca de 30 empresas involucradas en la industria de las baterías de iones de sodio en todo el mundo. Dado que los pros y los contras de las rutas técnicas aún no son concluyentes y no existe un estándar unificado, la competencia de diferentes empresas es esencialmente la competencia de diferentes rutas técnicas. Aunque la historia de la investigación de la batería de iones de sodio dura medio siglo, su verdadero desarrollo rápido se ha producido en la última década, gracias a importantes avances en la investigación y el desarrollo de materiales de electrodos. Creemos que la industria aún estará en la etapa de transición del período de introducción al período de crecimiento en los próximos 3 años.

Estructura industrial: similar a las baterías de iones de litio

La cadena de la industria de las baterías de iones de sodio es similar a la de las baterías de iones de litio, incluyendo aguas arriba, aguas intermedias y aguas abajo. Upstream: suministro de materias primas y síntesis de materiales de electrodos, las principales materias primas incluyen ceniza de sosa, papel de aluminio, mineral de manganeso, etc., así como diversos materiales auxiliares, que involucran productos químicos básicos y metales no ferrosos y otras industrias. Midstream: empaque de celdas, construcción e integración de sistemas de baterías, etc., que involucra varios consumibles y componentes electrónicos. Downstream: mercados de uso final, que incluyen principalmente almacenamiento de energía y vehículos eléctricos de baja velocidad.

Principales empresas: hay más de 20 empresas en el mundo, y las empresas chinas dominan

Las empresas relacionadas con las baterías de iones de sodio en el país y en el extranjero se establecieron (o ingresaron al campo) después de 2010. En la actualidad, hay más de 20 empresas relacionadas en el mundo, principalmente ubicadas en China, Estados Unidos, Europa y Japón. La mayoría de ellos son empresas de nueva creación. La investigación y el desarrollo tecnológico y el diseño estratégico son los principales, y la escala aún no se ha formado.

3.2.1. Nacional: Zhongke Haina ha acumulado mucho, y la era Ningde ha tomado la delantera
La investigación y la industrialización de baterías de iones de sodio de mi país lideran el mundo en el mundo. Las empresas nacionales de baterías de iones de sodio se pueden dividir en dos categorías: una es una empresa nueva creada por la tecnología de desarrollo propio de los institutos de investigación científica, representada por Zhongke Haina; el otro es un Las empresas maduras de baterías de iones de litio han entrado en la pista de baterías de iones de sodio para participar en la competencia, representada por la era Ningde.

Fundada en 2017, Zhongke Haina es la primera empresa de alta tecnología en China que se enfoca en el desarrollo y fabricación de baterías de iones de sodio. Fue incubado por el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China y cuenta con un equipo de I+D dirigido por el académico Chen Liquan y el investigador Hu Yongsheng. , es una de las pocas empresas de baterías con tecnologías centrales patentadas en todos los campos de las baterías de iones de sodio, ha lanzado una serie de proyectos de demostración y ha comenzado la construcción de la primera línea de producción a escala de 1 GWh. Como empresa tecnológica incubada por el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China, Zhongke Haina tiene una gran capacidad de innovación y ha dominado todos los campos, desde la investigación básica y el desarrollo de materiales activos hasta la producción a escala, desde materiales hasta baterías, desde celdas individuales hasta baterías. módulos, y desde componentes de batería hasta aplicaciones. tecnología.

Fundada en 2017, Ben'an Energy es una empresa multinacional de alta tecnología dedicada principalmente a la investigación, el desarrollo y la producción de baterías de iones de sodio para sistemas de agua. La empresa cuenta con centros globales de I+D en Singapur, China y Estados Unidos para llevar a cabo la investigación y el desarrollo de materiales, celdas y estructuras para baterías de iones de sodio a base de agua; Las empresas regionales en China, Estados Unidos y Australia son responsables de la fabricación de materiales para baterías y del negocio del mercado regional. La empresa se centra en el campo de aplicación del almacenamiento de energía estacionario. Los productos tienen las características de alta seguridad intrínseca, protección del medio ambiente y no toxicidad. Son especialmente adecuados para centrales de almacenamiento de energía en áreas urbanas densamente pobladas, y también son adecuados para el diseño de ambientes interiores; también son adecuados para operaciones flotantes a largo plazo. , puede ser ampliamente utilizado en el sistema de energía de respaldo industrial.

3.2.2. En el extranjero: la mayoría son empresas emergentes, de pequeña escala y con una fuerte visión de futuro.

Las empresas extranjeras de baterías de iones de sodio se encuentran principalmente en países desarrollados como Europa, América y Japón. Las empresas adoptan varios sistemas de materiales y rutas técnicas. La mayoría de estas empresas tienen un tiempo de establecimiento relativamente corto y una escala de producción limitada, pero su tecnología es muy avanzada.

La empresa británica Fradion impulsa principalmente cátodos de óxido en capas. Fundada en 2011, la compañía es la primera empresa de baterías de iones de sodio comercializada en el mundo y actualmente posee 31 patentes de baterías de iones de sodio, que cubren materiales de baterías, infraestructura de baterías, seguridad y transporte de baterías, etc. La compañía pone gran énfasis en el costo del producto y la densidad de energía. , con el objetivo final de ofrecer un rendimiento de iones de litio a un precio de plomo-ácido. A fines de 2021, la compañía fue adquirida por Reliance New Energy Solar Limited (RNESL) de India por £ 100 millones, que también invertirá £ 25 millones como capital de crecimiento para acelerar el lanzamiento comercial de la batería de iones de sodio.

La empresa Natron Energy en los Estados Unidos impulsa principalmente la batería de iones de sodio del sistema de agua. Fundada en 2012, la compañía es una empresa que desarrolla y produce baterías de iones de sodio a base de agua, promoviendo principalmente materiales de cátodo azul de Prusia. La empresa concede gran importancia a la seguridad de las baterías de iones de sodio y no utiliza electrolitos disolventes orgánicos. Sus productos son extremadamente seguros y tienen un largo ciclo de vida. La densidad de potencia es solo ligeramente inferior a la de las baterías de iones de litio, pero la densidad de energía solo es comparable a la de las baterías de plomo, principalmente para la electricidad estática. Aplicaciones de almacenamiento de energía (estaciones de carga rápida para centros de datos, carretillas elevadoras y vehículos eléctricos). Actualmente, su batería de iones de sodio se ha comercializado inicialmente, con una línea de producción piloto operando en Santa Clara, California. El próximo objetivo es expandir la producción y formar una cadena industrial de baterías de iones de sodio.

Desarrollo futuro: aprovechar al máximo la dotación de recursos y la ventaja comparativa de la electricidad de sodio

Problemas actuales: materiales deficientes, altos costos, estándares indeterminados

4.1.1. Es necesario impulsar la investigación de materiales: mecanismo de carbono duro, mejora del rendimiento, evaluación de la seguridad

En la actualidad, todavía existen muchas controversias sobre el mecanismo de almacenamiento de sodio del carbón duro en el mundo académico, y no se ha dilucidado por completo. Para mejorar los defectos del ánodo de carbono duro existente, como la baja eficiencia del primer ciclo, es necesario comprender profundamente el mecanismo cinético de su almacenamiento de sodio y proporcionar la orientación teórica más fundamental para la investigación y el desarrollo tecnológico. Todavía hay mucho margen de mejora en las propiedades materiales de la batería de iones de sodio existente. En general, la densidad de energía de la batería de iones de sodio actual está lejos del valor teórico, y su rendimiento de ciclo también debe mejorarse aún más. Por un lado, se requiere una mejora continua de los materiales activos. Por otro lado, también se debe considerar el diseño general del sistema y la gestión integrada. La seguridad operativa real de la batería de iones de sodio requiere una evaluación cuidadosa. En la actualidad, el experimento de prueba de seguridad de la batería de iones de sodio se encuentra a nivel de celda. Los resultados muestran que aunque la seguridad es alta, la seguridad después de la operación real debe observarse con urgencia, y no es recomendable ser ciegamente optimista. En particular, el electrodo positivo azul de Prusia liberará gases altamente tóxicos como ácido cianhídrico y cianuro en caso de fuga térmica.

4.1.2. Queda por materializar la ventaja de costes: la I+D tecnológica y las economías de escala son indispensables

La reducción de costos de la batería de iones de sodio depende de la reducción de los costos variables a través de la iteración continua de la tecnología y la dilución de los costos fijos a través de la producción en masa. En teoría, la batería de iones de sodio tiene una gran ventaja en el costo del material, pero el costo total real del producto actual es de más de 1 yuan/Wh, que es más alto que el del fosfato de hierro y litio. efecto de escala Por un lado, los tipos de materiales de los electrodos y los procesos de fabricación no están estandarizados, y los precursores también carecen de una cadena de suministro estable y confiable, lo que conduce a un bajo rendimiento y consistencia de los materiales de los electrodos y altos costos reales. Mejoras en la exploración tecnológica. Por otro lado, el precio del equipo de producción es alto y la pérdida por depreciación es grande, lo que representa alrededor del 20% al 30% del costo de fabricación, que solo puede diluirse con la producción en masa.

4.1.3. Normas técnicas a formular: normalizar el orden del mercado y promover el sano desarrollo

La industria de las baterías de iones de sodio necesita establecer un estándar científico unificado para regular las actividades de producción de las empresas y promover el desarrollo saludable y ordenado de la industria. En esta etapa, las rutas técnicas de los fabricantes dedicados a la I+D y la producción de baterías de iones de sodio son diferentes y existe una gran controversia sobre cuál es mejor. En la actualidad, los fabricantes se refieren principalmente a las baterías de iones de litio, combinadas con las características de las baterías de iones de sodio y el desarrollo industrial, para formular estándares o especificaciones de productos adecuados para sus respectivas empresas, y utilizan esto para guiar el diseño de productos y los procesos de fabricación para garantizar el rendimiento del producto. y consistencia. Como resultado, el rendimiento del producto y el nivel técnico de las diferentes empresas son desiguales. La formulación unificada de estándares técnicos de la industria puede desempeñar un mejor papel en el liderazgo de la industria y es una garantía necesaria para lograr economías de escala. En particular, las normas de seguridad son una base importante para limitar la calidad del producto y un medio importante para regular el orden del mercado y promover el desarrollo saludable y sostenible de la industria.

Perspectiva tecnológica: seguridad mejorada y mayor energía específica


4.2.1. Batería de iones de sodio a base de agua: batería de iones de sodio intrínsecamente segura

Reemplazar electrolitos orgánicos con electrolitos acuosos puede mejorar fundamentalmente la seguridad de las baterías de iones de sodio. La batería de iones de sodio actual continúa el sistema de electrolitos orgánicos de la batería de iones de litio, por lo que es imposible evitar fundamentalmente el riesgo de deflagración. Si se reemplaza con una solución acuosa, no solo mejorará en gran medida la seguridad, sino que también simplificará el proceso de producción, al tiempo que reduce el proceso de producción. contaminación ambiental. En la actualidad, se han informado una gran cantidad de soluciones de sistemas de baterías de iones de sodio a base de agua, entre las cuales el sistema azul de Prusia tiene el mejor rendimiento de ciclo, y se han iniciado intentos de industrialización. Las empresas representativas incluyen Natron Energy y Ben'an Energy. A largo plazo, la batería de iones de sodio a base de agua es una dirección muy prometedora, especialmente para el almacenamiento de energía.

4.2.2. Batería de iones de sodio de estado sólido: batería de iones de sodio de alta densidad de energía

Reemplazar electrolitos orgánicos líquidos con materiales de electrolitos sólidos puede producir baterías de iones de sodio de estado sólido. Debido a que se evitan los solventes orgánicos inflamables y explosivos, la seguridad de la batería se ha mejorado sustancialmente y la ventana electroquímica se ha ampliado considerablemente, lo que hace posible el uso de materiales catódicos de alto potencial y ánodos metálicos de sodio, lo que mejora en gran medida la energía. densidad de toda la batería. . Además, debido a la barrera electrolítica sólida y rígida entre los electrodos positivo y negativo, ya no es necesario configurar un separador separado y, con el proceso de electrodo bipolar, la densidad de energía del sistema de la batería puede mejorarse aún más. Estos materiales se enfrentan actualmente a problemas como la baja conductividad a temperatura ambiente y la alta impedancia de interfaz, y su industrialización llevará tiempo.

4.2.3. Ánodo de cointercalación de huéspedes múltiples: grafito como ánodo universal

El ánodo de grafito también puede lograr una intercalación y desintercalación efectiva de iones de sodio complejados en la "reacción de cointercalación de múltiples huéspedes". Dado que ΔG>0 de la reacción de intercalación de iones de sodio y grafito, es difícil que los iones de sodio se intercalen de manera efectiva entre las capas de grafito en solventes de carbonato, por lo que es difícil usar electrodos negativos de grafito. De hecho, en los disolventes de éter, los iones de sodio forman enlaces de coordinación con los átomos de oxígeno del éter, que pueden co-insertarse entre las capas de grafito en forma de iones de coordinación. Esta “reacción de coinserción de múltiples invitados” tiene un significado importante y esclarecedor. Por un lado, esto significa que el electrodo negativo de grafito también se puede usar como electrodo negativo de la batería de iones de sodio, compartiendo así la línea de producción de material con la batería de iones de litio, lo que conduce a una reducción de costos a gran escala. Por otro lado, esto abre la posibilidad de diseñar una nueva generación de baterías de iones multicargadas. Sin embargo, los electrolitos de éter tienen una estabilidad débil y son propensos a reaccionar con el electrodo positivo, lo que requiere una mayor investigación en profundidad.

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