Pengenalan teknis: baterai ion natrium dulu dan sekarang
Konsep dasar dan latar belakang sejarah: "saudara kembar" baterai lithium
Dalam beberapa tahun terakhir, pengembangan energi bersih telah menjadi konsensus sebagian besar negara di dunia. negara saya bahkan telah mengedepankan tujuan besar “puncak karbon dan netralitas karbon”. Teknologi pembangkit listrik energi bersih seperti energi matahari, energi angin dan energi pasang surut telah berkembang pesat. Ini memiliki karakteristik ketergantungan geografis yang terputus-putus, acak, dan kuat. Untuk mengatasi keterbatasan waktu dan ruang pembangkit listrik energi baru dan meningkatkan tingkat pemanfaatan energi baru, pentingnya teknologi penyimpanan energi menjadi semakin menonjol. Menurut metode konversi dan penyimpanan energi listrik, teknologi penyimpanan energi dibagi menjadi penyimpanan energi fisik, penyimpanan energi kimia dan penyimpanan energi elektrokimia. Diantaranya, penyimpanan energi elektrokimia termasuk teknologi baterai sekunder dan superkapasitor, yang memiliki karakteristik efisiensi konversi energi yang tinggi dan kecepatan respon yang cepat. Terutama teknologi baterai sekunder juga memiliki keunggulan kepadatan energi yang tinggi dan modularisasi yang mudah.
Baterai sekunder, juga dikenal sebagai baterai isi ulang atau akumulator, adalah perangkat yang memanfaatkan reaksi kimia reversibel dan dapat diisi dan dibuang berulang kali untuk mengubah energi listrik dan energi kimia menjadi satu sama lain untuk mencapai penyimpanan energi. Kemampuan baterai sekunder untuk menyimpan energi dinyatakan dengan kepadatan energi (juga disebut energi spesifik), yaitu energi total yang dapat dikeluarkan oleh baterai per satuan massa atau volume, yang merupakan produk dari kapasitas spesifik dan tegangan debit rata-rata. Kapasitas spesifik secara teoritis ditentukan oleh massa molar zat yang berpartisipasi dalam reaksi elektroda dan jumlah elektron yang diperoleh dan yang hilang. Oleh karena itu, semakin besar rasio muatan-ke-massa pembawa muatan, semakin besar kapasitas spesifik teoritis baterai. Secara teoritis, tegangan pelepasan terutama ditentukan oleh perbedaan potensial dan resistansi internal bahan positif dan negatif. Oleh karena itu, semakin tinggi potensial elektroda positif, semakin rendah potensial elektroda negatif, dan semakin kecil resistansi internal baterai, semakin besar tegangan pelepasan. Kedua, pembawa muatan harus memiliki kapasitas pengangkutan dan aktivitas kinetik yang baik, yang secara langsung mempengaruhi kemampuan laju dan kepadatan daya baterai. Akhirnya, faktor-faktor seperti reversibilitas reaksi elektroda dan reaksi samping menentukan kinerja siklus dan masa pakai baterai sekunder. Logam alkali diwakili oleh litium memiliki potensi elektroda redoks terendah, rasio muatan ion terhadap massa yang besar dan energi desolvasi yang rendah, sehingga mereka telah dicoba sebagai bahan anoda untuk baterai sekunder pada awal 1960-an. Baterai lithium-ion awal menggunakan lithium logam atau paduan lithium sebagai elektroda negatif, dan halida logam transisi (seperti AgCl, CuCl, NiF2, dll.) Sebagai elektroda positif, tetapi bahan elektroda positif tersebut memiliki konduktivitas yang buruk, mudah larut, dan volume pengisian dan pengosongan berubah secara drastis, dan sulit untuk dipecahkan. Pada akhir 1960-an, senyawa logam-kalkogenida transisi yang diwakili oleh TiS2 ditemukan memiliki kemampuan interkalasi dan deinterkalasi interlayer, yang dapat digunakan sebagai bahan katoda untuk baterai lithium-ion, dan memiliki konduktivitas listrik dan reaktivitas elektrokimia yang tinggi. 2.2 V, dengan nilai praktis. Namun, aktivitas tinggi lithium logam membuat kecelakaan baterai sering terjadi, memaksa orang untuk menggunakan senyawa interkalasi lithium (seperti grafit interkalasi lithium) sebagai elektroda negatif. Ini adalah konsep "baterai kursi goyang": menggunakan senyawa potensial interkalasi rendah sebagai elektroda negatif, tinggi Senyawa potensial interkalasi bertindak sebagai elektroda positif, menghindari masalah dendrit logam alkali. Karena potensi elektroda negatif senyawa interkalasi litium lebih tinggi daripada litium logam, tegangan keseluruhan dan rapat energi baterai berkurang, yang memaksa orang untuk mencari bahan elektroda positif baru, dan secara berturut-turut menemukan elektroda positif bahan seperti lithium cobaltate, lithium manganate dan lithium iron phosphate.
Kemampuan biaya dan kecepatan baterai ion natrium memiliki keunggulan dibandingkan baterai ion lithium. Natrium dan litium berada dalam keluarga yang sama dalam tabel periodik, memiliki jumlah elektron valensi yang sama, dan memiliki sifat kimia yang lebih aktif. Karena massa atom dan jari-jari natrium jauh lebih besar daripada litium, kerapatan energi baterai ion natrium jelas sulit dibandingkan dengan baterai ion litium, tetapi kelimpahan alami natrium berlimpah. Tingkat kepadatannya lebih dari seribu kali lipat lithium, dan energi desolvasi ion natrium jauh lebih rendah daripada ion lithium. Baterai ion natrium keluar pada tahun 1970-an hampir bersamaan dengan baterai ion lithium, tetapi proses penelitian keduanya sedikit berbeda. Baterai sekunder natrium yang pertama kali muncul pada waktu itu adalah baterai natrium-sulfur, dengan unsur belerang dan natrium logam sebagai elektroda positif dan negatif, konduktor ion cepat -alumina sebagai elektrolit padat, dan suhu kerja 300~350 ° C. Baterai natrium-sulfur suhu tinggi ini memiliki kepadatan energi tinggi (150~240Wh/kg) dan masa pakai 2500 kali, sedangkan baterai lithium-sulfur serupa memiliki masa pakai kurang dari 10 kali. Untuk meningkatkan keamanan baterai sekunder natrium, baterai ion natrium suhu kamar telah dikembangkan, menggunakan ide yang mirip dengan baterai lithium ion, bahan katoda telah mengalami transisi logam sulfida (TiS2) berlapis menjadi oksida berlapis (NaxCoO2) ) dan fosfat (Na3M2(PO4)3, M adalah logam transisi). Tetapi pada akhir 1980-an, penelitian tentang baterai ion natrium menjadi dingin, dan penelitian terkait hampir berhenti. Ada tiga alasan untuk ini: pertama, sulit untuk menemukan bahan anoda yang cocok (grafit yang dapat menyimpan litium secara efisien dalam pelarut ester sulit untuk menyimpan natrium); kedua, kondisi penelitian terbatas (kandungan air dan oksigen dari sistem tinggi, dan sulit untuk menggunakan logam Natrium digunakan sebagai elektroda patokan untuk eksperimen evaluasi bahan); ketiga, baterai lithium-ion keluar di atas (sejumlah besar peneliti berlabuh arah pada baterai lithium-ion).
Sampai abad ke-21, baterai ion natrium mengantarkan pada titik balik. Pada tahun 2000, ditemukan bahwa bahan karbon keras yang diperoleh dengan pirolisis glukosa memiliki kapasitas penyimpanan natrium spesifik setinggi 300 mA h/g, yang menyediakan bahan anoda penting untuk baterai ion natrium. Pada tahun 2007, bahan katoda polianion Na2FePO4F ditemukan, dan laju deformasi volume bahan ini hanya 3.7%, dengan hampir tidak ada regangan. Dari tahun 2000 hingga 2010, kecepatan penelitian baterai ion natrium relatif lambat, terutama terkonsentrasi di beberapa tim eksperimental. Setelah 2010, penelitian tentang baterai ion natrium telah memasuki musim semi, dan sistem material baru telah muncul, dan mereka secara bertahap mencoba untuk industrialisasi.
Prinsip kerja dan bahan: mirip dengan baterai lithium
Prinsip kerja baterai ion natrium persis sama dengan baterai lithium ion, yaitu, di bawah kondisi potensial tertentu, desorpsi reversibel dan interkalasi ion logam alkali tamu dalam bahan inang, di mana potensi interkalasi yang lebih tinggi digunakan. sebagai elektroda positif, dan potensial interkalasi yang lebih rendah digunakan sebagai elektroda positif. Elektroda negatif, proses siklus pengisian dan pengosongan seluruh baterai adalah proses migrasi directional bolak-balik dari ion logam alkali antara elektroda positif dan negatif. Baterai dengan mekanisme kerja ini adalah “baterai kursi goyang” yang diusulkan oleh M. Armand. Struktur komposisi baterai ion natrium persis sama dengan ion lithium, terutama termasuk elektroda positif, elektroda negatif, elektrolit, pemisah dan pengumpul arus. Menurut apakah tuan rumah material secara langsung berpartisipasi dalam proses reaksi elektrokimia, mereka dapat dibagi menjadi bahan aktif dan bahan tidak aktif.
Bahan aktif: elektroda positif, elektroda negatif, elektrolit
Bahan aktif baterai ion natrium termasuk bahan elektroda positif, bahan elektroda negatif dan bahan elektrolit, yang secara langsung berpartisipasi dalam reaksi elektrokimia dan dengan demikian menentukan karakteristik intrinsik baterai. Karena jari-jari dan struktur elektronik ion natrium sangat berbeda dengan ion litium, perilaku termodinamika dan kinetik dari reaksi sangat berbeda, sehingga penelitian dan pengembangan bahan aktif untuk baterai ion natrium tidak dapat sepenuhnya meniru baterai ion litium.
(1) Bahan katoda: oksida, biru Prusia, polianion tiga jalur utama
Bahan elektroda positif mengalami reaksi oksidasi selama pengisian dan reaksi reduksi selama pelepasan, dan umumnya memiliki potensi reduksi yang tinggi. Bahan katoda yang ideal harus memenuhi persyaratan potensi reduksi tinggi (tetapi harus lebih rendah dari potensi oksidasi elektrolit), kapasitas reversibel besar, kinerja siklus stabil, konduktivitas elektronik dan ionik tinggi, struktur stabil dan tidak takut udara, keamanan tinggi , dan harga murah. Untuk baterai ion natrium, kapasitas spesifik teoritis bahan katoda yang ada relatif rendah, sehingga menjadi salah satu penentu utama kapasitas baterai secara keseluruhan. Saat ini, bahan katoda baterai ion natrium terutama dibagi menjadi lima jenis: oksida, polianion, biru Prusia, fluorida, dan senyawa organik. Tiga jenis pertama memiliki kematangan tertinggi dan telah memasuki tahap awal industrialisasi. .
Oksida: teknologi paling matang, kapasitas spesifik tinggi, dan jenis paling melimpah
Bahan katoda berbasis oksida umumnya oksida logam transisi, terutama termasuk oksida berlapis dan oksida terowongan. Penelitian tentang oksida berlapis adalah yang paling awal dan paling luas. Dibandingkan dengan baterai lithium-ion, katoda oksida berlapis dengan hanya tiga elemen, Mn, Co, dan Ni, memiliki aktivitas elektrokimia reversibel. Baterai Na-ion memiliki rentang pilihan yang lebih luas. Siklus keempat Logam transisi dari Ti ke Ni memiliki aktivitas tinggi, dan mekanisme kerjanya lebih rumit, sering disertai dengan perilaku transisi fase ganda. Rumus umum oksida berlapis adalah NaxMO2, di mana M adalah logam transisi. Jenis struktural umum terutama mencakup tipe O3 dan tipe P2. Yang pertama memiliki kapasitas spesifik yang lebih tinggi tetapi laju dan kinerja siklus yang buruk; yang terakhir memiliki tingkat yang lebih baik dan kinerja siklus. , tetapi kapasitas spesifik sebenarnya sedikit lebih rendah. Selain itu, oksida berlapis cenderung rentan terhadap hidrolisis higroskopis di udara. Pada tahap ini, oksida berlapis memiliki kepadatan energi tinggi dan teknologi persiapan matang, dan diharapkan untuk memimpin dalam industrialisasi, terutama oksida berlapis tipe P2 dengan stabilitas yang lebih baik. Oksida tipe terowongan memiliki struktur pori tiga dimensi dan sering ditemukan pada oksida dengan kandungan natrium rendah. Mereka memiliki siklus yang sangat baik dan kinerja tingkat dan stabil terhadap air dan oksigen, tetapi kapasitas spesifik mereka terlalu rendah. Di masa depan, oksida terowongan mungkin memiliki keunggulan kompetitif potensial dalam penelitian dan pengembangan katoda kaya natrium dan baterai ion natrium berair.
Biru Prusia: biaya bahan rendah, kapasitas spesifik tinggi, hambatan teknis tinggi
Bahan katoda biru Prusia adalah polimer koordinasi sianida logam transisi dengan rumus umum AxM1 [M2 (CN)6]1-y·□y·nH2O, di mana A adalah ion logam alkali, M1 dan M2 adalah ion logam transisi (terkoordinasi dengan N dan C, masing-masing), adalah cacat kekosongan [M2(CN)6]. Karena struktur elektronik unik dari koordinasi ganda sianida dan ruang tiga dimensi terbuka, material tersebut memiliki keunggulan struktur yang stabil, laju interkalasi dan deinterkalasi yang cepat, dan kapasitas spesifik yang besar. Selain itu, logam transisi inti dari bahan tersebut sebagian besar merupakan logam murah seperti Fe dan Mn, dan bahan bakunya mudah tersedia dan berbiaya rendah. Namun, dalam aplikasi praktis, kandungan air kisi (termasuk air kristal dan air teradsorpsi) dan kepadatan cacat kekosongan material akan sangat membatasi kinerja baterai, yang mengakibatkan pengurangan pemanfaatan kapasitas, efisiensi energi, dan masa pakai baterai. Perlu disebutkan bahwa baru-baru ini para peneliti menemukan bahwa baterai ion natrium menggunakan bahan katoda biru Prusia akan melepaskan hidrogen sianida dan gas sianida yang sangat beracun dalam kondisi pelarian termal, dan mekanisme dekomposisi termal terkait erat dengan air kisi dan cacat kekosongan. Terkait erat, dapat dilihat bahwa teknologi ini memiliki persyaratan yang lebih tinggi pada kualitas material. Selain itu, persiapan bahan ini melibatkan natrium sianida yang sangat beracun, yang memerlukan kualifikasi khusus dalam produksi dan pasokan.
Polianion: keamanan terbaik, kapasitas spesifik terlalu rendah, biaya material tinggi
Bahan katoda berbasis polianion mengacu pada garam ganda yang mengandung natrium yang kerangka kristalnya dibangun oleh serangkaian unit anion tetrahedral dan polihedral, dengan rumus umum NaxMy(XaOb)zZw. , di mana M adalah kation seperti logam transisi atau logam alkali tanah, X adalah unsur yang sangat elektronegatif seperti fosfor atau belerang, dan Z adalah anion seperti fluor atau hidroksida. Unit polihedral anionik dari bahan jenis ini memiliki ikatan kovalen yang kuat, sehingga struktur kristalnya sangat stabil, dan stabilitas kimianya, stabilitas termal dan stabilitas elektrokimianya tinggi, sehingga memiliki siklus hidup dan keamanan yang baik. , dan platform tegangannya cenderung lebar. Kedua, elektron valensi ion logam transisi memiliki tingkat lokalisasi yang tinggi, dan struktur elektronik ini dapat dengan mudah memanfaatkan efek induktif dari elemen yang sangat elektronegatif untuk meningkatkan tegangan kerja material. Namun, karena karakteristik celah pita lebar, konduktivitas elektronik intrinsik sangat rendah, yang sangat membatasi kemampuan lajunya dan harus dimodifikasi dengan menambahkan agen konduktif atau skala nano. Selain itu, kapasitas spesifik bahan ini umumnya rendah. Saat ini, bahan polianionik yang paling umum terutama adalah fosfat, diwakili oleh NaFePO4 tipe olivin dan Na3V2(PO4)3 tipe NASICON. Struktur NaFePO4 sama dengan lithium besi fosfat, tetapi sintesisnya harus bergantung pada metode pertukaran ion kompleks, dan biayanya tinggi. Na3V2(PO4)3 memiliki kinerja laju dan masa pakai yang sangat baik, tetapi kapasitas spesifiknya lebih rendah daripada bahan tipe olivin. Selain itu, bahan polianionik baru seperti pirofosfat, sulfat, dan molibdat juga sedang dipelajari. Sistem ini telah meningkatkan tegangan operasi dan kinerja laju, tetapi masih ada banyak masalah seperti kapasitas spesifik aktual yang rendah dan reversibilitas siklus yang buruk. cacat.
Fluorida: bahan yang relatif murah, sulit praktis
Fluorida logam transisi memiliki potensial reduksi tinggi yang mirip dengan oksida, dan interkalasi dan deinterkalasi ion natrium dapat dicapai melalui konversi valensi ion logam transisi, sehingga mereka juga merupakan bahan katoda potensial. Masalah terbesar dari jenis bahan ini adalah bahwa resistivitasnya terlalu tinggi, yang secara serius mempengaruhi kinerja lajunya, dan kapasitas spesifik yang sebenarnya umumnya rendah. Sejauh ini, bahan fluoride dengan kapasitas spesifik yang lebih besar adalah fluorida berbasis besi, biasanya diwakili oleh NaFeF3 (aktual 128mAh/g, teoritis 197mAh/g). Selain itu, beberapa bahan besi fluorida terhidrasi memiliki kapasitas spesifik yang tinggi, seperti Fe2F5 H2O (awal 251 mAh/g), tetapi kinerja siklusnya masih buruk.
Senyawa organik: tidak bergantung pada sumber daya mineral, masih dalam tahap penelitian
Senyawa organik tertentu dengan sistem terkonjugasi yang melimpah dan pasangan elektron bebas dapat mengalami reaksi redoks reversibel, sehingga dapat juga digunakan untuk mengembangkan bahan katoda. Keunggulan material jenis ini adalah tidak perlu bergantung pada sumber daya logam transisi, serta struktur dan sifatnya yang mudah untuk dirancang dan dikendalikan, sehingga memiliki potensi tertentu. Namun, masih ada cacat yang signifikan pada tahap ini: konduktivitas umumnya rendah, dan rentan terhadap pembubaran. Saat ini, ada terutama polimer konduktif sistem terkonjugasi (seperti polianilin termodifikasi, polipirol, dll.), senyawa karbonil terkonjugasi (seperti turunan aromatik dari natrium fenat, natrium karboksilat) dan sejenisnya.
(2) Bahan anoda: bahan berbasis karbon adalah yang paling matang dan diharapkan menjadi yang terdepan dalam industrialisasi
Bahan elektroda negatif mengalami reaksi reduksi selama pengisian dan reaksi oksidasi selama pelepasan, dan umumnya memiliki potensi reduksi yang lebih rendah. Bahan katoda yang ideal harus memenuhi persyaratan potensi reduksi rendah (tetapi harus lebih tinggi dari potensi pengendapan logam natrium), kapasitas reversibel besar, kinerja siklus stabil, konduktivitas elektronik dan ionik tinggi, struktur stabil dan tidak takut udara, keamanan tinggi , dan harga murah. Untuk baterai ion natrium, bahan elektroda negatif memainkan peran penting dalam memuat dan melepaskan ion natrium, yang secara langsung mempengaruhi kinerja dinamis keseluruhan baterai, seperti kinerja laju, kepadatan daya, dll. Saat ini, bahan anoda natrium baterai ion terutama dibagi menjadi lima jenis: bahan berbasis karbon, bahan berbasis titanium, bahan paduan, senyawa organik, dan sistem lainnya. Diantaranya, bahan berbasis karbon memiliki kematangan teknologi tertinggi dan kaya akan sumber daya, dan diharapkan menjadi yang terdepan dalam mewujudkan industrialisasi. mengubah.
Bahan berbasis karbon: karbon lunak dan karbon keras memiliki kelebihannya sendiri, dan elektroda negatif grafit masih dalam penelitian
Menurut struktur mikro atom karbon, bahan anoda berbasis karbon dibagi menjadi bahan berbasis grafit, bahan karbon amorf, dan bahan nano-karbon. Berbeda dari ion logam alkali lainnya, sulit bagi ion natrium untuk berinterkalasi secara efektif di antara lapisan grafit dalam pelarut karbonat, yang terutama disebabkan oleh G>0 reaksi interkalasi ion natrium-grafit. Oleh karena itu, anoda grafit, yang banyak digunakan dalam baterai lithium-ion, sulit digunakan dalam baterai natrium-ion dengan karbonat sebagai pelarut. Faktanya, dalam pelarut eter, grafit juga dapat secara efektif memasukkan dan menghilangkan ion natrium, tetapi stabilitas elektrolit melemah, dan mudah bereaksi dengan elektroda positif, yang perlu dipelajari lebih lanjut. Bahan karbon amorf memiliki kapasitas penyimpanan natrium spesifik yang tinggi dan juga merupakan bahan anoda yang paling dekat dengan industrialisasi saat ini. Menurut kesulitan grafitisasi perlakuan panas, itu dibagi menjadi karbon lunak dan karbon keras. Karbon lunak dapat sepenuhnya digrafitisasi pada suhu di atas 2800 °C, dan karbon keras juga sulit digrafitisasi pada suhu tinggi. Perbedaan antara karbon lunak dan karbon keras terletak pada interaksi ikatan silang lapisan karbon dalam struktur mikro, yang pada dasarnya bergantung pada struktur dan bentuk prekursor karbonisasi yang digunakan. Secara umum, prekursor termoplastik (bahan baku petrokimia dan produk sampingan) cenderung membentuk karbon lunak, sedangkan prekursor termoset (biomassa, polimer resin, dll.) cenderung membentuk karbon keras. Secara relatif, biaya pembuatan karbon lunak lebih rendah, prosesnya mudah dikendalikan, tetapi kapasitas spesifiknya tidak sebaik karbon keras; kapasitas spesifik karbon keras lebih tinggi, tetapi efisiensi siklus pertama seringkali lebih rendah, dan kinerjanya tergantung pada prekursor yang digunakan dan perawatannya. proses, hasil karbon rendah. Perlu disebutkan bahwa mekanisme penyimpanan natrium dari bahan karbon keras masih belum sepenuhnya dipahami, dan masih banyak ruang untuk perbaikan. Nanomaterial karbon terutama mencakup graphene dan nanotube karbon, dan ion natrium terutama disimpan di permukaannya dan cacat oleh adsorpsi. Kapasitas spesifik teoretis dari bahan-bahan ini besar, tetapi efisiensi Coulomb minggu pertama rendah, potensi reaksi tinggi, dan harganya tinggi. mahal.
Bahan berbasis titanium: keunggulan potensial yang unik, sulit untuk dikomersialkan dalam jangka pendek
Potensi reduksi titanium tetravalen umumnya rendah, senyawanya stabil di udara, dan senyawa titanium dengan struktur kristal yang berbeda memiliki potensi penyimpanan natrium yang berbeda, sehingga digunakan untuk mengembangkan bahan anoda. Saat ini, bahan berbasis titanium terutama terdiri dari beberapa titanium oksida dan senyawa polianionik. Oksida termasuk Na2Ti3O7 berlapis, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 dan jenis spinel Li4Ti5O12 (juga digunakan dalam elektroda negatif baterai lithium-ion), dll. Senyawa polianionik termasuk NaTiOPO4 ortogonal, jenis NASICON dari NaTi2(PO4)3. Kapasitas spesifik bahan-bahan ini umumnya tidak tinggi, tetapi mereka memiliki banyak keunggulan unik. Misalnya, Li4Ti5O12 adalah bahan bebas regangan, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 dapat bertindak sebagai bahan positif dan negatif, dan NaTi2(PO4)3 dapat Untuk baterai ion natrium berbasis air.
Bahan paduan: kapasitas spesifik teoretis yang besar, kesulitan teknis yang harus diatasi
Logam natrium dapat membentuk paduan dengan Sn, Sb, In dan logam lainnya, dan dapat digunakan sebagai elektroda negatif baterai ion natrium, yang mirip dengan elektroda negatif baterai lithium berbasis silikon. Kelebihan material jenis ini adalah kapasitas spesifik teoritis yang tinggi dan potensial reaksi yang rendah, sehingga diharapkan dapat menghasilkan baterai ion natrium dengan densitas energi dan tegangan tinggi. Namun, kinetika reaksi bahan-bahan ini buruk, dan perubahan volume sebelum dan sesudah de-interkalasi natrium dapat mencapai beberapa kali. Dengan tekanan besar, bahan aktif mudah jatuh dari permukaan kolektor saat ini, dan kapasitas spesifik meluruh dengan cepat.
Senyawa organik: kondisi sintesis ringan, masih dalam tahap penelitian
Kelebihan dan kekurangan bahan anoda organik hampir sama dengan bahan katoda organik. Jenis yang ada saat ini terutama meliputi senyawa karbonil, senyawa basa Schiff, senyawa radikal organik dan sulfida organik, yang masih dalam tahap penelitian laboratorium.
Sistem lain: Senyawa V dan VI, sebagian besar logam transisi, masih dalam tahap penelitian
Beberapa oksida logam transisi, sulfida, selenida, nitrida, dan fosfida juga memiliki aktivitas elektrokimia untuk penyimpanan natrium reversibel. Bahan tersebut sering disertai dengan reaksi konversi dan reaksi paduan, sehingga kapasitas spesifik teoretisnya dapat melebihi bahan anoda paduan yang sesuai, tetapi juga lebih banyak masalah teknis.
(3) Bahan elektrolit: terutama elektrolit cair, bentuknya sama dengan baterai lithium
Elektrolit adalah jembatan untuk transfer material antara elektroda positif dan negatif. Ini digunakan untuk mengangkut ion untuk membentuk loop tertutup. Ini adalah jaminan penting untuk menjaga reaksi elektrokimia. Ini tidak hanya secara langsung mempengaruhi laju, siklus hidup, self-discharge dan kinerja baterai lainnya, tetapi juga menentukan stabilitas dan keamanan baterai. salah satu elemen inti dari seksualitas. Menurut bentuk fisiknya, elektrolit baterai ion natrium dapat dibagi menjadi elektrolit cair dan elektrolit padat.
Elektrolit cair: mirip dengan baterai lithium, garam lithium menjadi garam natrium
Elektrolit cair sering disebut sebagai elektrolit dan umumnya terdiri dari pelarut, zat terlarut dan aditif. Karena batas atas jendela elektrokimia air tidak melebihi 2V, pelarutnya adalah beberapa pelarut organik aprotik polar, yang tidak hanya dapat melarutkan sejumlah besar garam natrium, tetapi juga tidak dapat melepaskan proton hidrogen, dan juga memiliki anti- kemampuan oksidasi-reduksi. Memiliki viskositas yang lebih rendah. Oleh karena itu, karbonat dengan konstanta dielektrik tinggi dan viskositas tinggi umumnya digunakan dalam kombinasi dengan eter dengan konstanta dielektrik rendah dan viskositas rendah, sehingga elektrolit sangat mudah terbakar. Zat terlarut terutama garam natrium dengan anion radius besar, yang dibagi menjadi garam natrium anorganik dan garam natrium organik. Garam natrium, dll. Secara umum, garam natrium organik lebih stabil, sedangkan garam natrium anorganik lebih murah. Saat ini diharapkan untuk mencapai aplikasi industri terutama natrium heksafluorofosfat, yang memiliki konduktivitas yang relatif terbaik, tetapi sangat sensitif terhadap air. Kandungan aditif dalam elektrolit kurang dari 5%, terutama beberapa senyawa seperti garam natrium, ester, nitril, eter, dll, yang berperan dalam membantu pembentukan film SEI dan film CEI, perlindungan overcharge, dan nyala api. kebodohan.
Elektrolit solid-state: untuk listrik natrium solid-state, masih dalam tahap penelitian
Bahan elektrolit solid-state terutama mencakup tiga jenis: elektrolit solid-state anorganik, elektrolit solid-state polimer, dan elektrolit solid-state komposit. Karena menghindari pelarut organik yang mudah terbakar dan meledak, keamanan baterai telah ditingkatkan secara substansial, dan jendela elektrokimia telah sangat diperluas, memungkinkan untuk menggunakan bahan katoda berpotensi tinggi dan anoda natrium logam, sehingga sangat meningkatkan energi kepadatan seluruh baterai. . Selain itu, karena penghalang elektrolit padat yang kaku antara elektroda positif dan negatif, pemisah terpisah tidak lagi diperlukan, dan dengan proses elektroda bipolar, kerapatan energi sistem baterai dapat lebih ditingkatkan. Bahan tersebut saat ini menghadapi masalah seperti konduktivitas suhu kamar rendah dan impedansi antarmuka yang tinggi, dan industrialisasi mereka akan memakan waktu.
1.2.2. Bahan tidak aktif: diafragma, kolektor arus, agen konduktif, pengikat
Bahan tidak aktif dalam baterai ion natrium terutama mencakup diafragma, kolektor arus, agen konduktif, pengikat, dll. Mereka tidak secara langsung berpartisipasi dalam reaksi elektrokimia, tetapi merupakan bahan tambahan yang penting, dan kompatibilitasnya dengan bahan aktif dan faktor lainnya akan memiliki dampak yang signifikan pada kinerja baterai.
(1) Diafragma: umum untuk baterai lithium-ion
Fungsi pemisah adalah untuk secara fisik memisahkan elektroda positif dan negatif untuk menghindari kontak langsung dan reaksi antara keduanya, dan pada saat yang sama untuk memastikan infiltrasi dan penetrasi molekul pelarut, memungkinkan lewatnya ion natrium terlarut dengan cepat. Bahan pemisah yang ideal harus memiliki isolasi elektronik dan konduktivitas ionik yang baik, kekuatan mekanik yang tinggi dan setipis mungkin, kelembaman kimia yang tinggi (tidak bereaksi dengan elektrolit, atau bereaksi dengan elektroda positif dan negatif), dan stabilitas termal yang baik. Pemisah polimer poliolefin, seperti PE, PP, dan film komposit, banyak digunakan dalam baterai lithium-ion, dan bahan pemisah ini dapat langsung ditransplantasikan ke sistem baterai ion natrium. Di masa depan, dalam sistem baterai ion natrium solid-state, bahan diafragma tidak lagi diperlukan.
(2) Kolektor saat ini: elektroda positif dan negatif terbuat dari aluminium foil
Kolektor arus adalah bagian dasar di mana bahan aktif positif dan negatif terpasang, terhitung sekitar 10-13% dari berat baterai, dan digunakan untuk mengumpulkan arus yang dihasilkan oleh bahan elektroda dan melepaskan konduksi ke luar. . Meskipun kolektor arus tidak berpartisipasi dalam reaksi elektroda, ini adalah jaminan mendasar untuk kinerja bahan elektroda, dan kemurnian, ketebalan, tegangan, dan parameter lainnya secara tidak langsung mempengaruhi kinerja kerja elektroda yang sebenarnya. Bahan yang digunakan sebagai pengumpul arus harus memiliki konduktivitas listrik yang sangat baik, resistansi kontak yang rendah dengan bahan aktif, kelembaman kimia yang tinggi (tidak bereaksi dengan elektrolit dan elektroda positif dan negatif), kemampuan proses yang baik dan sifat mekanik yang stabil. Dalam baterai lithium-ion, kolektor arus elektroda positif adalah aluminium foil, dan kolektor arus elektroda negatif adalah foil tembaga untuk menghindari paduan aluminium dan lithium dalam kondisi potensial rendah. Dalam baterai natrium-ion, karena natrium dan aluminium tidak mengalami reaksi paduan, aluminium foil dapat digunakan untuk kolektor arus positif dan negatif, menghindari foil tembaga yang relatif mahal.
(3) Agen konduktif: sama seperti baterai lithium ion
Ketika bahan elektroda benar-benar digunakan, perlu juga menambahkan agen konduktif, yang memiliki tiga fungsi utama: mengurangi polarisasi diri bahan elektroda, mengurangi resistansi kontak antara partikel bahan aktif dan antara kolektor arus, menyerap elektrolit dan meningkatkan infiltrasi Efek elektroda. Bahan konduktif yang umum digunakan adalah bahan karbon dengan luas permukaan spesifik yang besar dan konduktivitas yang baik, seperti karbon hitam, bubuk grafit, nanotube karbon, dan graphene.
(4) Pengikat: sama seperti baterai Li-ion
Fungsi pengikat adalah untuk menggabungkan bahan elektroda, agen konduktif dan kolektor arus untuk membuat potongan tiang lengkap yang dapat digunakan. Bahan yang digunakan sebagai pengikat harus memiliki stabilitas yang baik, mudah diproses, dan berbiaya rendah. Pengikat yang umum digunakan untuk baterai ion natrium mirip dengan baterai ion litium, kebanyakan polimer polar kuat, seperti polivinilidena fluorida (PVDF), natrium alginat (SA), asam poliakrilat (PAA), natrium karboksimetil selulosa ( CMC), politetrafluoroetilen (PTFE) , dll.
Proses dan rute pembuatan: sama seperti baterai lithium
1.3.1. Sintesis bahan elektroda: hanya biru Prusia yang istimewa
Metode sintesis bahan katoda baterai ion natrium harus ditentukan sesuai dengan kategori bahan tertentu, yang terutama dibagi menjadi metode reaksi fase padat dan metode sintesis fase cair. Bahan oksida dan polianion dapat disintesis dengan metode reaksi fase padat atau metode sintesis fase cair. Proses sintesis pada dasarnya sama dengan bahan yang sesuai untuk baterai lithium-ion, sehingga jalur produksi dapat kompatibel sampai batas tertentu. Saat ini, metode reaksi fase padat adalah yang paling banyak digunakan dalam industri. Keseragaman produk yang disiapkan dengan metode ini memiliki batasan tertentu, tetapi operasinya sederhana dan proses teknologinya singkat, yang cocok untuk produksi skala besar. Metode sintesis fase cair memiliki keseragaman produk yang tinggi, tetapi relatif mahal, membutuhkan peralatan yang tinggi, dan memiliki banyak air limbah. Selain itu, ada teknologi seperti metode sol-gel, metode sintesis gelombang mikro, metode pengeringan semprot, metode pertukaran ion, dll., yang umumnya memiliki biaya tinggi dan tidak cocok untuk produksi industri untuk saat ini.
1.3.2. Baterai dirakit menjadi beberapa kelompok: proses perakitan dan klasifikasi penampilan sama dengan baterai lithium-ion
Mirip dengan baterai lithium-ion, produksi baterai ion natrium juga mengalami proses seperti pembuatan pulp, pelapisan, perakitan, injeksi cairan, dan pembentukan kimia. Di antara mereka, proses perakitan terutama untuk menggabungkan pelat positif dan negatif yang telah selesai melalui interlayer diafragma untuk membangun jalur ion natrium di dalam baterai, dan mengisolasi elektroda positif dan negatif untuk mencegah korsleting internal. Proses perakitan mengikuti teknologi baterai lithium-ion dan dibagi menjadi proses penggulungan dan laminasi. Yang pertama dibagi lagi menjadi belitan silinder dan belitan persegi. Selain itu, desain struktural dan proses pengemasan produk baterai ion natrium pada dasarnya mengikuti baterai lithium-ion, dan penampilannya secara kasar dibagi menjadi tiga kategori: silinder, kemasan lunak, dan cangkang keras persegi, masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya sendiri.
Perbandingan horizontal: baterai natrium vs baterai lithium, aliran cairan, asam timbal
Sebagai industrialisasi kemajuan baterai ion natrium, pasti memiliki berbagai tingkat dampak pada teknologi baterai sekunder lainnya. Yang pertama menanggung beban adalah baterai lithium-ion, serta baterai aliran dan baterai timbal-asam yang telah lama digunakan secara luas di pasar. Pada bagian ini, kami secara singkat memprediksi lanskap kompetitif masa depan baterai ion natrium melalui perbandingan horizontal antara baterai ion natrium dan tiga teknologi baterai di atas.
Baterai natrium vs baterai lithium: kinerja yang sebanding dengan lithium iron phosphate, kinerja biaya komprehensif atau lebih tinggi
Baterai ion natrium adalah suplemen dan perpanjangan baterai lithium ion, bukan hubungan penggantian yang lengkap. Pertama-tama, dalam hal kinerja, sistem baterai lithium-ion yang ada tidak sempurna: baterai katoda terner memiliki kepadatan energi yang tinggi, tetapi siklus hidup yang buruk; baterai lithium besi fosfat katoda memiliki siklus hidup yang tinggi, tetapi kepadatan energi yang rendah; baterai lithium manganate katoda Tegangan kerja tinggi, tetapi kepadatan energi dan masa pakai buruk. Selain itu, baterai lithium-ion rentan terhadap penurunan kapasitas yang parah pada suhu rendah, yang memerlukan sistem kontrol suhu, yang menghabiskan setidaknya 5% energi sistem baterai dan meningkatkan biaya produksi. Sebaliknya, kerapatan energi dari sistem baterai natrium-ion yang ada telah mendekati kepadatan energi lithium besi fosfat; meskipun siklus hidup tidak sebaik lithium besi fosfat, secara signifikan lebih baik daripada bahan terner dan lithium manganat.
Kedua, dari perspektif keamanan, karena suhu awal pelarian termal baterai ion natrium sedikit lebih tinggi daripada baterai ion lithium, keamanan di tingkat sel telah ditingkatkan, tetapi kedua baterai perlu menggunakan bahan organik yang sangat mudah terbakar. elektrolit , ada risiko deflagrasi di bawah kondisi pelarian termal. Dari eksperimen destruktif saat ini seperti tusukan sel, keamanan sebenarnya dari baterai ion natrium mungkin serupa dengan baterai lithium besi fosfat.
Akhirnya, dari sudut pandang biaya, baterai ion natrium dapat secara efektif mengurangi biaya bahan baku. Pertama, senyawa litium dalam bahan aktif (katoda, elektrolit) digantikan oleh senyawa natrium secara keseluruhan, dan logam murah seperti besi dan mangan sebagian besar telah menggantikan logam yang lebih mahal seperti kobalt dan nikel di katoda; kedua, logam natrium tidak terbentuk dengan logam aluminium. Paduan eutektik, kolektor arus positif dan negatif dapat dibuat dari aluminium foil murah, menggantikan kolektor arus elektroda negatif tembaga yang lebih mahal dalam baterai lithium-ion asli; ketiga, karena jari-jari Stokes ion natrium lebih kecil daripada ion litium, sehingga jumlah zat terlarut dalam elektrolit dapat sangat dikurangi. Di masa depan, baterai ion natrium kemungkinan akan membentuk hubungan kompetitif yang kuat dengan baterai lithium besi fosfat, terutama di daerah pegunungan; baterai lithium ion akan terus berkembang ke arah kepadatan energi tinggi dan tegangan kerja tinggi, dan secara bertahap berkembang menjadi baterai solid-state, dll. Iterasi teknologi baru.
Listrik natrium vs aliran cairan: kelebihan dan kekurangannya sangat saling melengkapi, atau berdiri berdampingan di pasar penyimpanan energi
Baterai ion natrium dan baterai aliran memiliki komplementaritas yang kuat, yang pertama cocok untuk penyimpanan energi kecil dan fleksibel, dan yang terakhir cocok untuk penyimpanan energi skala besar dan menengah. Baterai aliran adalah perangkat penyimpanan energi elektrokimia fase cair (terutama sistem fase air), yang dicirikan bahwa bahan kerja aktif dilarutkan dalam elektrolit, dan penyimpanan dan pelepasan energi diwujudkan dengan mengubah keadaan valensi oksidasi bahan aktif. Perwakilan termasuk baterai aliran semua-vanadium, baterai aliran besi-kromium, dan baterai aliran seng-bromin. Keuntungan terbesar dari baterai aliran terletak pada keamanan intrinsik sistem fase air dan siklus hidup yang sangat panjang, yang sangat cocok untuk fasilitas penyimpanan energi elektrokimia menengah dan besar, tetapi kerugiannya adalah kepadatan energi yang rendah dan suhu operasi yang sempit. jangkauan, jadi Sulit untuk membuat miniatur atau diterapkan ke daerah pegunungan. Sebaliknya, kerapatan energi baterai ion natrium sekitar tiga kali lipat dari baterai aliran, dan dapat menahan suhu rendah -40 °C, tetapi keamanan intrinsik dan masa pakainya tidak sebaik baterai aliran. Di masa depan, baterai ion natrium dan baterai aliran diharapkan dapat saling melengkapi di bidang penyimpanan energi. Misalnya, perangkat penyimpanan energi kecil rumah tangga dan bergerak memiliki persyaratan kepadatan energi yang lebih tinggi dan cocok untuk penggunaan baterai ion natrium; pembangkit listrik penyimpanan energi elektrokimia besar dan menengah memiliki persyaratan keselamatan yang lebih tinggi dan cocok untuk penggunaan baterai aliran.
Baterai natrium vs asam timbal: secara bertahap ganti asam timbal tradisional, memaksa yang terakhir untuk meningkatkan secara iteratif
Baterai ion natrium diharapkan secara bertahap menggantikan baterai timbal-asam tradisional, memaksa pengembangan teknologi baru seperti baterai timbal-karbon. Aplikasi industri baterai timbal-asam telah lebih dari satu setengah abad, dan loop tertutup industri "produksi-konsumsi-daur ulang" telah sangat lengkap. Keuntungannya adalah biaya rendah, daur ulang mudah, dan keamanan yang baik. Kekurangannya adalah kepadatan energi yang rendah, siklus hidup yang pendek, Pengisian membutuhkan waktu yang lama. Saat ini, baterai timbal-asam masih terus dikembangkan dan ditingkatkan. Yang paling representatif adalah “baterai timbal-karbon” yang mengintegrasikan teknologi superkapasitor. Siklus hidupnya mencapai 3,000 kali, memiliki kemampuan pengisian cepat, dan mempertahankan karakteristik baterai timbal-asam asli. Keamanan dan keuntungan lainnya, tetapi kepadatan energi semakin berkurang, dan biaya produksi juga meningkat. Sebaliknya, sebagian besar kinerja baterai natrium-ion lebih baik daripada baterai timbal-asam tradisional. Di masa depan, karena biaya semakin berkurang, diharapkan secara bertahap menggantikan baterai timbal-asam tradisional. Pada saat yang sama, kebangkitan baterai ion natrium secara tidak langsung dapat mempercepat proses peningkatan dan iterasi dari baterai timbal-asam tradisional ke baterai karbon-bertimbal. Di masa depan, baterai timbal-asam dapat dilahirkan kembali dalam bentuk baterai timbal-karbon, daripada sepenuhnya ditarik dari tahap sejarah. (Sumber laporan: Lembaga Laporan)
Status industri baterai natrium
Saat ini, ada hampir 30 perusahaan yang terlibat dalam industri baterai ion natrium di seluruh dunia. Karena pro dan kontra dari rute teknis masih belum dapat disimpulkan, dan tidak ada standar terpadu, persaingan perusahaan yang berbeda pada dasarnya adalah persaingan rute teknis yang berbeda. Meskipun sejarah penelitian baterai ion natrium berlangsung selama setengah abad, perkembangan pesat yang nyata telah terjadi dalam dekade terakhir, berkat terobosan penting dalam penelitian dan pengembangan bahan elektroda. Kami percaya bahwa industri masih akan berada dalam tahap transisi dari masa pengenalan ke masa pertumbuhan dalam 3 tahun ke depan.
Struktur industri: mirip dengan baterai lithium-ion
Rantai industri baterai ion natrium mirip dengan baterai lithium-ion, termasuk hulu, tengah, dan hilir. Hulu: pasokan bahan baku dan sintesis bahan elektroda, bahan baku utama termasuk soda ash, aluminium foil, bijih mangan, dll., serta berbagai bahan pembantu, yang melibatkan bahan kimia dasar dan logam non-ferrous dan industri lainnya. Midstream: pengemasan sel, konstruksi dan integrasi sistem baterai, dll., yang melibatkan berbagai bahan habis pakai dan komponen elektronik. Hilir: Pasar penggunaan akhir, terutama termasuk penyimpanan energi dan kendaraan listrik berkecepatan rendah.
Perusahaan besar: Ada lebih dari 20 perusahaan di dunia, dan perusahaan Cina mendominasi
Perusahaan terkait baterai ion natrium di dalam dan luar negeri didirikan (atau memasuki lapangan) setelah 2010. Saat ini, ada lebih dari 20 perusahaan terkait di dunia, terutama berlokasi di Cina, Amerika Serikat, Eropa, dan Jepang. Kebanyakan dari mereka adalah perusahaan start-up. Riset dan pengembangan teknologi dan tata letak strategis adalah yang utama, dan skalanya belum terbentuk.
3.2.1. Domestik: Zhongke Haina telah mengumpulkan banyak, dan era Ningde telah memimpin
penelitian dan industrialisasi baterai ion natrium negara saya memimpin dunia di dunia. Perusahaan baterai ion natrium domestik dapat dibagi menjadi dua kategori: satu adalah perusahaan baru yang dibuat oleh teknologi yang dikembangkan sendiri oleh lembaga penelitian ilmiah, yang diwakili oleh Zhongke Haina; yang lainnya adalah perusahaan baterai lithium-ion dewasa telah memasuki jalur baterai ion natrium untuk berpartisipasi dalam kompetisi, yang diwakili oleh era Ningde.
Didirikan pada tahun 2017, Zhongke Haina adalah perusahaan teknologi tinggi pertama di China yang berfokus pada pengembangan dan pembuatan baterai ion natrium. Itu diinkubasi oleh Institut Fisika, Akademi Ilmu Pengetahuan China dan memiliki tim R&D yang dipimpin oleh Akademisi Chen Liquan dan Peneliti Hu Yongsheng. , adalah salah satu dari sedikit perusahaan baterai dengan teknologi inti yang dipatenkan di semua bidang baterai ion natrium, telah meluncurkan sejumlah proyek demonstrasi, dan memulai pembangunan lini produksi skala 1GWh pertama. Sebagai perusahaan teknologi yang diinkubasi oleh Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Zhongke Haina memiliki kemampuan inovasi yang kuat, dan telah menguasai semua bidang mulai dari penelitian dasar dan pengembangan bahan aktif hingga produksi berskala, dari bahan hingga baterai, dari sel tunggal hingga baterai. modul, dan dari komponen baterai hingga aplikasi. teknologi.
Didirikan pada tahun 2017, Ben'an Energy adalah perusahaan multinasional berteknologi tinggi yang terutama bergerak dalam penelitian dan pengembangan serta produksi baterai ion natrium untuk sistem air. Perusahaan ini memiliki pusat R&D global di Singapura, Cina, dan Amerika Serikat untuk melakukan penelitian dan pengembangan bahan, sel, dan struktur untuk baterai ion natrium berbasis air; perusahaan regional di Cina, Amerika Serikat dan Australia bertanggung jawab atas pembuatan bahan baterai dan bisnis pasar regional. Perusahaan berfokus pada bidang aplikasi penyimpanan energi stasioner. Produk memiliki karakteristik keamanan intrinsik yang tinggi, perlindungan lingkungan dan tidak beracun. Mereka sangat cocok untuk pembangkit listrik penyimpanan energi di daerah perkotaan yang padat penduduk, dan juga cocok untuk tata letak lingkungan dalam ruangan; mereka juga cocok untuk operasi mengambang jangka panjang. , dapat digunakan secara luas dalam sistem daya cadangan industri.
3.2.2. Luar Negeri: Kebanyakan dari mereka adalah start-up, dengan skala kecil dan berwawasan ke depan yang kuat
Perusahaan baterai ion natrium asing sebagian besar berlokasi di negara maju seperti Eropa, Amerika, dan Jepang. Berbagai sistem material dan rute teknis diadopsi oleh perusahaan. Sebagian besar perusahaan ini memiliki waktu pendirian yang relatif singkat dan skala produksi yang terbatas, tetapi teknologi mereka sangat berwawasan ke depan.
Perusahaan Inggris Faradion terutama mendorong katoda oksida berlapis. Didirikan pada tahun 2011, perusahaan ini adalah perusahaan baterai ion natrium komersial pertama di dunia, dan saat ini memegang 31 paten baterai ion natrium, meliputi bahan baterai, infrastruktur baterai, keselamatan dan transportasi baterai, dll. Perusahaan sangat menekankan pada biaya produk dan kepadatan energi , dengan tujuan akhir menghadirkan kinerja lithium-ion dengan harga timbal-asam. Pada akhir tahun 2021, perusahaan diakuisisi oleh Reliance New Energy Solar Limited (RNESL) India seharga £100 juta, yang juga akan menginvestasikan £25 juta sebagai modal pertumbuhan untuk mempercepat peluncuran komersial baterai ion natrium.
Perusahaan Natron Energy di Amerika Serikat terutama mendorong baterai ion natrium dari sistem air. Didirikan pada tahun 2012, perusahaan ini adalah perusahaan yang mengembangkan dan memproduksi baterai ion natrium berbasis air, terutama mempromosikan bahan katoda biru Prusia. Perusahaan sangat mementingkan keamanan baterai ion natrium, dan tidak menggunakan elektrolit pelarut organik. Produknya sangat aman dan memiliki siklus hidup yang panjang. Kepadatan daya hanya sedikit lebih rendah dari baterai lithium ion, tetapi rapat energi hanya sebanding dengan baterai timbal, terutama untuk listrik statis. Aplikasi penyimpanan energi (stasiun pengisian cepat untuk pusat data, forklift, dan kendaraan listrik). Saat ini, baterai ion natrium awalnya telah dikomersialkan, dengan jalur produksi percontohan yang beroperasi di Santa Clara, California. Tujuan selanjutnya adalah memperluas produksi dan membentuk rantai industri baterai ion natrium.
Pengembangan masa depan: berikan permainan penuh pada sumber daya dan keunggulan komparatif listrik natrium
Masalah saat ini: bahan yang buruk, biaya tinggi, standar yang tidak ditentukan
4.1.1. Penelitian bahan perlu dilanjutkan: mekanisme karbon keras, peningkatan kinerja, penilaian keamanan
Saat ini, masih banyak kontroversi tentang mekanisme penyimpanan natrium karbon keras di dunia akademis, dan belum sepenuhnya dijelaskan. Untuk memperbaiki cacat dari anoda karbon keras yang ada, seperti efisiensi siklus pertama yang rendah, perlu untuk memahami secara mendalam mekanisme kinetik penyimpanan natriumnya dan memberikan panduan teoretis paling mendasar untuk penelitian dan pengembangan teknologi. Masih banyak ruang untuk perbaikan dalam sifat material baterai ion natrium yang ada. Secara umum, kerapatan energi baterai ion natrium saat ini jauh dari nilai teoretis, dan kinerja siklusnya juga perlu lebih ditingkatkan. Di satu sisi, perbaikan berkelanjutan dari bahan aktif diperlukan. Di sisi lain, desain sistem secara keseluruhan dan manajemen terintegrasi juga perlu dipertimbangkan. Keselamatan operasional yang sebenarnya dari baterai ion natrium memerlukan evaluasi yang cermat. Saat ini, percobaan uji keamanan baterai ion natrium berada di tingkat sel. Hasilnya menunjukkan bahwa meskipun keamanannya tinggi, keselamatan setelah operasi yang sebenarnya perlu segera diamati, dan tidak disarankan untuk optimis secara membabi buta. Secara khusus, elektroda positif biru Prusia akan melepaskan gas yang sangat beracun seperti asam hidrosianat dan sianida jika terjadi pelepasan termal.
4.1.2. Keuntungan biaya tetap harus diwujudkan: R&D teknologi dan skala ekonomi sangat diperlukan
Pengurangan biaya baterai ion natrium tergantung pada pengurangan biaya variabel melalui iterasi teknologi berkelanjutan dan pengenceran biaya tetap melalui produksi massal. Secara teori, baterai ion natrium memang memiliki keunggulan biaya bahan yang besar, tetapi total biaya aktual produk saat ini lebih dari 1 yuan/Wh, yang lebih tinggi daripada lithium besi fosfat. efek skala. Di satu sisi, jenis bahan elektroda dan proses manufaktur tidak standar, dan prekursor juga tidak memiliki rantai pasokan yang stabil dan andal, yang mengarah pada hasil dan konsistensi bahan elektroda yang rendah dan biaya aktual yang tinggi. Peningkatan eksplorasi teknologi. Di sisi lain, harga peralatan produksi tinggi dan kerugian penyusutan besar, terhitung sekitar 20-30% dari biaya produksi, yang hanya dapat diencerkan dengan produksi massal.
4.1.3. Standar teknis yang akan dirumuskan: menstandarisasi tatanan pasar dan mendorong pembangunan yang sehat
Industri baterai ion natrium perlu menetapkan standar terpadu ilmiah untuk mengatur kegiatan produksi perusahaan dan mempromosikan perkembangan industri yang sehat dan teratur. Pada tahap ini, rute teknis dari produsen yang terlibat dalam R&D dan produksi baterai ion natrium berbeda, dan ada kontroversi besar mengenai mana yang lebih baik. Saat ini, produsen terutama mengacu pada baterai lithium-ion, dikombinasikan dengan karakteristik baterai ion natrium dan pengembangan industri, untuk merumuskan standar atau spesifikasi produk yang sesuai untuk masing-masing perusahaan, dan menggunakannya untuk memandu desain produk dan proses manufaktur untuk memastikan hasil produk dan konsistensi. Akibatnya, kinerja produk dan tingkat teknis dari berbagai perusahaan tidak merata. Perumusan terpadu standar teknis industri dapat memainkan peran yang lebih baik dalam memimpin industri dan merupakan jaminan yang diperlukan untuk mencapai skala ekonomi. Secara khusus, standar keselamatan merupakan dasar penting untuk membatasi kualitas produk dan sarana penting untuk mengatur tatanan pasar dan mempromosikan perkembangan industri yang sehat dan berkelanjutan.
Prospek Teknologi: Peningkatan Keamanan dan Energi Spesifik yang Lebih Tinggi
4.2.1. Baterai ion natrium berbasis air: baterai ion natrium yang aman secara intrinsik
Mengganti elektrolit organik dengan elektrolit berair pada dasarnya dapat meningkatkan keamanan baterai ion natrium. Baterai ion natrium saat ini melanjutkan sistem elektrolit organik baterai lithium-ion, sehingga tidak mungkin untuk menghindari risiko deflagrasi secara mendasar. Jika diganti dengan larutan berair, itu tidak hanya akan sangat meningkatkan keamanan, tetapi juga menyederhanakan proses produksi, sekaligus mengurangi proses produksi. pencemaran lingkungan. Saat ini, sejumlah besar solusi sistem baterai ion natrium berbasis air telah dilaporkan, di antaranya sistem biru Prusia memiliki kinerja siklus terbaik, dan upaya industrialisasi telah dimulai. Perusahaan perwakilan termasuk Natron Energy dan Ben'an Energy. Dalam jangka panjang, baterai ion natrium berbasis air adalah arah yang sangat menjanjikan, terutama untuk penyimpanan energi.
4.2.2. Baterai ion natrium keadaan padat: baterai ion natrium kepadatan energi tinggi
Mengganti elektrolit organik cair dengan bahan elektrolit padat dapat menghasilkan baterai ion natrium solid-state. Karena menghindari pelarut organik yang mudah terbakar dan meledak, keamanan baterai telah ditingkatkan secara substansial, dan jendela elektrokimia telah sangat diperluas, memungkinkan untuk menggunakan bahan katoda berpotensi tinggi dan anoda natrium logam, sehingga sangat meningkatkan energi kepadatan seluruh baterai. . Selain itu, karena penghalang elektrolit padat yang kaku antara elektroda positif dan negatif, tidak perlu lagi memasang pemisah terpisah, dan dengan proses elektroda bipolar, kerapatan energi sistem baterai dapat lebih ditingkatkan. Bahan tersebut saat ini menghadapi masalah seperti konduktivitas suhu kamar rendah dan impedansi antarmuka yang tinggi, dan industrialisasi mereka akan memakan waktu.
4.2.3. Anoda co-interkalasi multi-tamu: grafit sebagai anoda universal
Anoda grafit juga dapat mencapai interkalasi dan deinterkalasi yang efektif dari ion natrium kompleks dalam "reaksi interkalasi multi-tamu". Karena G>0 dari reaksi interkalasi ion natrium-grafit, sulit bagi ion natrium untuk berinterkalasi secara efektif di antara lapisan grafit dalam pelarut karbonat, sehingga sulit untuk menggunakan elektroda negatif grafit. Faktanya, dalam pelarut eter, ion natrium membentuk ikatan koordinasi dengan atom oksigen eter, yang dapat disisipkan bersama di antara lapisan grafit dalam bentuk ion koordinasi. “Reaksi penyisipan bersama multi-tamu” ini memiliki makna pencerahan yang penting. Di satu sisi, ini berarti bahwa elektroda negatif grafit juga dapat digunakan sebagai elektroda negatif dari baterai ion natrium, sehingga berbagi lini produksi bahan dengan baterai lithium ion, yang kondusif untuk pengurangan biaya skala besar. Di sisi lain, ini membuka kemungkinan untuk merancang generasi baru baterai ion multi-charge. Namun, elektrolit eter memiliki stabilitas yang lemah dan cenderung bereaksi dengan elektroda positif, yang memerlukan penelitian mendalam lebih lanjut
