Introduzione tecnica: batteria agli ioni di sodio passato e presente
Concetti di base e cenni storici: il “fratello gemello” delle batterie al litio
Negli ultimi anni, lo sviluppo dell'energia pulita è diventato il consenso della maggior parte dei paesi del mondo. il mio paese ha persino proposto il grande obiettivo di "carbon peaking e carbon neutrality". Le tecnologie di generazione di energia pulita come l'energia solare, l'energia eolica e l'energia delle maree sono state sviluppate rapidamente. Ha le caratteristiche di dipendenza geografica intermittente, casuale e forte. Al fine di risolvere i limiti di tempo e spazio della nuova generazione di energia e migliorare il tasso di utilizzo della nuova energia, l'importanza della tecnologia di accumulo di energia è diventata sempre più importante. Secondo i metodi di conversione e stoccaggio dell'energia elettrica, le tecnologie di accumulo di energia sono suddivise in accumulo di energia fisica, accumulo di energia chimica e accumulo di energia elettrochimica. Tra questi, l'accumulo di energia elettrochimica include la tecnologia della batteria secondaria e i supercondensatori, che hanno le caratteristiche di un'elevata efficienza di conversione dell'energia e di una rapida velocità di risposta. Soprattutto la tecnologia della batteria secondaria presenta anche i vantaggi di un'elevata densità di energia e di una facile modularizzazione.
La batteria secondaria, nota anche come batteria ricaricabile o accumulatore, è un dispositivo che utilizza reazioni chimiche reversibili e può essere caricato e scaricato ripetutamente per convertire l'energia elettrica e l'energia chimica l'una nell'altra per ottenere l'accumulo di energia. La capacità di una batteria secondaria di immagazzinare energia è espressa dalla densità di energia (detta anche energia specifica), cioè l'energia totale che può essere emessa dalla batteria per unità di massa o volume, che è il prodotto della capacità specifica e del tensione di scarica media. La capacità specifica è teoricamente determinata dalla massa molare delle sostanze che partecipano alla reazione dell'elettrodo e dal numero di elettroni guadagnati e persi. Pertanto, maggiore è il rapporto carica-massa del portatore di carica, maggiore è la capacità specifica teorica della batteria. Teoricamente, la tensione di scarica è determinata principalmente dalla differenza di potenziale e dalla resistenza interna dei materiali positivi e negativi. Pertanto, maggiore è il potenziale dell'elettrodo positivo, minore è il potenziale dell'elettrodo negativo e minore è la resistenza interna della batteria, maggiore è la tensione di scarica. In secondo luogo, il portatore di carica deve avere una buona capacità di trasporto e attività cinetica, che influiscono direttamente sulla capacità di velocità e sulla densità di potenza della batteria. Infine, fattori come la reversibilità delle reazioni degli elettrodi e delle reazioni collaterali determinano le prestazioni del ciclo e la durata delle batterie secondarie. I metalli alcalini rappresentati dal litio hanno il potenziale dell'elettrodo redox più basso, un grande rapporto carica-massa ionica e una bassa energia di desolvatazione, quindi sono stati provati come materiali anodici per batterie secondarie già negli anni '1960. Le prime batterie agli ioni di litio utilizzavano litio metallico o lega di litio come elettrodo negativo e alogenuri di metalli di transizione (come AgCl, CuCl, NiF2, ecc.) Come elettrodo positivo, ma tali materiali per elettrodi positivi hanno scarsa conduttività, facile da dissolvere, e il volume di carica e scarica cambia drasticamente ed è difficile da risolvere. Alla fine degli anni '1960, si è scoperto che i composti del metallo di transizione-calcogenuro rappresentati da TiS2 hanno capacità di intercalazione e deiintercalazione tra gli strati, che possono essere utilizzati come materiali catodici per batterie agli ioni di litio e hanno un'elevata conduttività elettrica e reattività elettrochimica. 2.2 V, con valore pratico. Tuttavia, l'elevata attività del litio metallico rende frequenti gli incidenti con la batteria, costringendo le persone a utilizzare composti di intercalazione del litio (come la grafite di intercalazione del litio) come elettrodo negativo. Questo è il concetto di “batteria della sedia a dondolo”: utilizzando composti a basso potenziale di intercalazione come elettrodi negativi, il composto ad alto potenziale di intercalazione funge da elettrodo positivo, evitando il problema dei dendriti di metalli alcalini. Poiché il potenziale dell'elettrodo negativo del composto di intercalazione del litio è superiore a quello del litio metallico, la tensione complessiva e la densità di energia della batteria vengono ridotte, il che costringe le persone a cercare nuovi materiali per elettrodi positivi e successivamente ha scoperto l'elettrodo positivo materiali come il litio cobaltato, il litio manganato e il litio ferro fosfato. .
La capacità di costo e velocità della batteria agli ioni di sodio presenta vantaggi rispetto alla batteria agli ioni di litio. Il sodio e il litio sono nella stessa famiglia nella tavola periodica, hanno lo stesso numero di elettroni di valenza e hanno proprietà chimiche più attive. Poiché la massa atomica e il raggio del sodio sono molto più grandi di quelli del litio, la densità energetica della batteria agli ioni di sodio è ovviamente difficile da confrontare con le batterie agli ioni di litio, ma l'abbondanza naturale di sodio è abbondante. Il grado di densità è più di mille volte quello del litio e l'energia di desolvatazione degli ioni sodio è molto inferiore a quella degli ioni litio. La batteria agli ioni di sodio è uscita negli anni '1970 quasi contemporaneamente alla batteria agli ioni di litio, ma il processo di ricerca delle due è leggermente diverso. La batteria secondaria al sodio apparsa per la prima volta a quel tempo era una batteria sodio-zolfo, con zolfo elementare e sodio metallico come elettrodi positivi e negativi, conduttore di ioni veloci β-allumina come elettrolita solido e la temperatura di lavoro era di 300 ~ 350 ° C. Questa batteria sodio-zolfo ad alta temperatura ha un'elevata densità di energia (150~240 Wh/kg) e una durata del ciclo di 2500 volte, mentre la batteria simile al litio-zolfo ha una durata del ciclo inferiore a 10 volte. Al fine di migliorare la sicurezza delle batterie secondarie al sodio, sono state sviluppate batterie agli ioni di sodio a temperatura ambiente, utilizzando un'idea simile alle batterie agli ioni di litio, il materiale del catodo è stato sottoposto a solfuro di metallo di transizione stratificato (TiS2) a ossido stratificato (NaxCoO2)) e fosfato (Na3M2(PO4)3, M è un metallo di transizione). Ma alla fine degli anni '1980, la ricerca sulla batteria agli ioni di sodio era fredda e la ricerca correlata quasi si fermò. Ci sono tre ragioni per questo: primo, è difficile trovare un materiale anodico adatto (la grafite che può immagazzinare il litio in modo efficiente nei solventi esteri è difficile da immagazzinare il sodio); in secondo luogo, le condizioni di ricerca sono limitate (il contenuto di acqua e ossigeno del sistema è elevato ed è difficile utilizzare il sodio metallico è stato utilizzato come elettrodo di riferimento per esperimenti di valutazione dei materiali); terzo, le batterie agli ioni di litio sono risultate in cima (un gran numero di ricercatori ha ancorato la direzione alle batterie agli ioni di litio).
Fino al 21° secolo, la batteria agli ioni di sodio ha inaugurato una svolta. Nel 2000, è stato scoperto che il materiale di carbonio duro ottenuto dalla pirolisi del glucosio ha una capacità di accumulo di sodio specifica fino a 300 mA h/g, che fornisce un materiale anodico cruciale per la batteria agli ioni di sodio. Nel 2007 è stato trovato il materiale catodico polianionico Na2FePO4F e il tasso di deformazione del volume di questo materiale era solo del 3.7%, quasi senza deformazioni. Dal 2000 al 2010, la velocità di ricerca della batteria agli ioni di sodio è stata relativamente lenta, concentrata principalmente in alcuni gruppi sperimentali. Dopo il 2010, la ricerca sulle batterie agli ioni di sodio è entrata in primavera e stanno emergendo nuovi sistemi di materiali che stanno gradualmente cercando di industrializzare.
Principio di funzionamento e materiali: simile alle batterie al litio
Il principio di funzionamento della batteria agli ioni di sodio è esattamente lo stesso di quello della batteria agli ioni di litio, ovvero, in una determinata condizione potenziale, il desorbimento reversibile e l'intercalazione degli ioni di metalli alcalini ospiti nel materiale ospite, in cui viene utilizzato il potenziale di intercalazione più elevato come elettrodo positivo e il potenziale di intercalazione inferiore viene utilizzato come elettrodo positivo. L'elettrodo negativo, il processo del ciclo di carica e scarica dell'intera batteria, è il processo di migrazione direzionale di andata e ritorno degli ioni di metalli alcalini tra gli elettrodi positivi e negativi. La batteria con questo meccanismo di funzionamento è la “batteria per sedia a dondolo” proposta da M. Armand. La struttura della composizione della batteria agli ioni di sodio è esattamente la stessa di quella degli ioni di litio, includendo principalmente elettrodo positivo, elettrodo negativo, elettrolita, separatore e collettore di corrente. A seconda che l'ospite materiale partecipi direttamente al processo di reazione elettrochimica, possono essere suddivisi in materiali attivi e materiali inattivi.
Materiali attivi: elettrodo positivo, elettrodo negativo, elettrolita
I materiali attivi della batteria agli ioni di sodio includono materiale dell'elettrodo positivo, materiale dell'elettrodo negativo e materiale dell'elettrolita, che partecipano direttamente alla reazione elettrochimica e quindi determinano le caratteristiche intrinseche della batteria. Poiché il raggio e la struttura elettronica degli ioni di sodio sono abbastanza diversi da quelli degli ioni di litio, i comportamenti termodinamici e cinetici delle reazioni sono abbastanza diversi, quindi la ricerca e lo sviluppo di materiali attivi per batterie agli ioni di sodio non possono imitare completamente le batterie agli ioni di litio.
(1) Materiale catodico: ossido, blu di Prussia, polianione tre linee principali
Il materiale dell'elettrodo positivo subisce una reazione di ossidazione durante la carica e una reazione di riduzione durante la scarica e generalmente ha un elevato potenziale di riduzione. Il materiale catodico ideale deve soddisfare i requisiti di elevato potenziale di riduzione (ma deve essere inferiore al potenziale di ossidazione dell'elettrolita), grande capacità reversibile, prestazioni del ciclo stabili, elevata conducibilità elettronica e ionica, struttura stabile e non teme l'aria, elevata sicurezza , e prezzo basso. Per le batterie agli ioni di sodio, la capacità specifica teorica dei materiali catodici esistenti è relativamente bassa, quindi diventa uno dei principali determinanti della capacità complessiva della batteria. Attualmente, i materiali catodici delle batterie agli ioni di sodio sono principalmente divisi in cinque tipi: ossidi, polianioni, blu di Prussia, fluoruri e composti organici. I primi tre tipi hanno la maturità più alta e sono entrati nella fase iniziale dell'industrializzazione. .
Ossidi: la tecnologia più matura, ad alta capacità specifica e le tipologie più abbondanti
I materiali catodici a base di ossido sono generalmente ossidi di metalli di transizione, inclusi principalmente ossidi stratificati e ossidi di tunnel. La ricerca sugli ossidi stratificati è la prima e la più ampia. Rispetto alle batterie agli ioni di litio, i catodi di ossido a strati con solo tre elementi, Mn, Co e Ni, hanno un'attività elettrochimica reversibile. Le batterie agli ioni di Na hanno una gamma di selezione più ampia. Il quarto ciclo I metalli di transizione da Ti a Ni hanno un'attività elevata, ei loro meccanismi di funzionamento sono più complicati, spesso accompagnati da comportamenti multipli di transizione di fase. La formula generale degli ossidi stratificati è NaxMO2, dove M è un metallo di transizione. I tipi strutturali comuni includono principalmente il tipo O3 e il tipo P2. Il primo ha una capacità specifica più elevata ma prestazioni di velocità e ciclo scadenti; quest'ultimo ha una migliore velocità e prestazioni del ciclo. , ma la capacità specifica effettiva è leggermente inferiore. Inoltre, gli ossidi stratificati tendono ad essere suscettibili all'idrolisi igroscopica nell'aria. In questa fase, gli ossidi stratificati hanno un'elevata densità di energia e una tecnologia di preparazione matura e si prevede che assumeranno un ruolo guida nell'industrializzazione, in particolare gli ossidi stratificati di tipo P2 con una migliore stabilità. Gli ossidi di tipo tunnel hanno una struttura porosa tridimensionale e si trovano spesso in ossidi a basso contenuto di sodio. Hanno eccellenti prestazioni di ciclismo e velocità e sono stabili all'acqua e all'ossigeno, ma la loro capacità specifica è troppo bassa. In futuro, gli ossidi di tunnel potrebbero avere potenziali vantaggi competitivi nella ricerca e nello sviluppo di catodi ricchi di sodio e batterie acquose di ioni di sodio.
Blu di Prussia: basso costo del materiale, elevata capacità specifica, elevate barriere tecniche
I materiali catodici blu di Prussia sono polimeri di coordinazione del cianuro di metallo di transizione con la formula generale AxM1 [M2 (CN)6]1-y·□y·nH2O, dove A è uno ione di metallo alcalino, M1 e M2 sono ioni di metallo di transizione (coordinati a N e C, rispettivamente), □ è un difetto di posto vacante [M2(CN)6]. A causa dell'esclusiva struttura elettronica del doppio coordinamento del cianuro e dello spazio tridimensionale aperto, il materiale presenta i vantaggi di una struttura stabile, di un'intercalazione rapida e di un tasso di deinterizzazione e di una grande capacità specifica. Inoltre, i metalli di transizione principali di tali materiali sono principalmente metalli economici come Fe e Mn e le materie prime sono prontamente disponibili ea basso costo. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, il contenuto di acqua del reticolo (compresa l'acqua cristallina e l'acqua adsorbita) e la densità del difetto di posto vacante del materiale limiteranno seriamente le prestazioni della batteria, con conseguente riduzione dell'utilizzo della capacità, dell'efficienza energetica e della durata del ciclo. Vale la pena ricordare che recentemente i ricercatori hanno scoperto che la batteria agli ioni di sodio che utilizza materiale catodico blu di Prussia rilascerà acido cianidrico altamente tossico e gas cianuro in condizioni di instabilità termica e il meccanismo di decomposizione termica è strettamente correlato all'acqua del reticolo e ai difetti di posto vacante. Strettamente correlato, si può vedere che questa tecnologia ha requisiti più elevati in termini di qualità dei materiali. Inoltre, la preparazione di questo materiale prevede cianuro di sodio altamente tossico, che richiede qualifiche speciali nella produzione e nella fornitura.
Polianioni: la massima sicurezza, capacità specifica troppo bassa, alto costo del materiale
I materiali catodici a base di polianione si riferiscono a doppi sali contenenti sodio la cui struttura cristallina è costituita da una serie di unità anioniche tetraedriche e poliedriche, con la formula generale NaxMy(XaOb)zZw. , dove M è un catione come un metallo di transizione o un metallo alcalino terroso, X è un elemento altamente elettronegativo come fosforo o zolfo e Z è un anione come fluoro o idrossido. Le unità poliedriche anioniche di questo tipo di materiale hanno un forte legame covalente, quindi la struttura cristallina è molto stabile e la sua stabilità chimica, stabilità termica e stabilità elettrochimica sono elevate, quindi ha una buona durata del ciclo e sicurezza. e la sua piattaforma di tensione tende ad essere ampia. In secondo luogo, gli elettroni di valenza degli ioni di metalli di transizione hanno un alto grado di localizzazione e questa struttura elettronica può facilmente utilizzare l'effetto induttivo di elementi fortemente elettronegativi per migliorare la tensione di lavoro del materiale. Tuttavia, a causa della sua caratteristica di banda larga, la conduttività elettronica intrinseca è molto bassa, il che limita notevolmente la sua capacità di velocità e deve essere modificata aggiungendo agenti conduttivi o su nanoscala. Inoltre, la capacità specifica di questo materiale è generalmente bassa. Attualmente, i materiali polianionici più tipici sono principalmente i fosfati, rappresentati da NaFePO4 di tipo olivina e Na3V2(PO4)3 di tipo NASICON. La struttura di NaFePO4 è la stessa di quella del litio ferro fosfato, ma la sintesi deve basarsi su un complesso metodo di scambio ionico e il costo è elevato. Na3V2(PO4)3 ha prestazioni di velocità e durata del ciclo eccellenti, ma la capacità specifica è inferiore a quella dei materiali di tipo olivina. Inoltre, sono allo studio anche nuovi materiali polianionici come pirofosfato, solfato e molibdato. Questi sistemi hanno migliorato la tensione operativa e le prestazioni di velocità, ma ci sono ancora molti problemi come una bassa capacità specifica effettiva e una scarsa reversibilità del ciclo. difetto.
Fluoruri: materiali relativamente economici, di difficile pratica
I fluoruri di metalli di transizione hanno potenziali di riduzione elevati simili agli ossidi e l'intercalazione e la deintercalizzazione degli ioni sodio possono essere ottenute attraverso la conversione di valenza degli ioni di metalli di transizione, quindi sono anche potenziali materiali catodici. Il problema più grande di questo tipo di materiale è che la resistività è troppo alta, il che incide gravemente sulle sue prestazioni di velocità e la capacità specifica effettiva è generalmente bassa. Finora, i materiali fluorurati con capacità specifica maggiore sono i fluoruri a base di ferro, tipicamente rappresentati da NaFeF3 (effettivo 128 mAh/g, teorico 197 mAh/g). Inoltre, alcuni materiali a base di fluoruro di ferro idratato hanno un'elevata capacità specifica, come Fe2F5 H2O (iniziale 251 mAh/g), ma le prestazioni del ciclo sono ancora scarse.
Composti organici: non dipendenti da risorse minerarie, ancora in fase di ricerca
Alcuni composti organici con abbondanti sistemi coniugati e coppie solitarie di elettroni possono subire reazioni redox reversibili, quindi possono essere utilizzati anche per sviluppare materiali catodici. I vantaggi di questo tipo di materiale sono che non ha bisogno di fare affidamento su risorse di metalli di transizione e la sua struttura e le sue proprietà sono facili da progettare e controllare, quindi ha un certo potenziale. Tuttavia, in questa fase ci sono ancora difetti significativi: la conduttività è generalmente bassa ed è soggetta a dissoluzione. Attualmente, esistono principalmente polimeri conduttivi del sistema coniugato (come polianilina modificata, polipirrolo, ecc.), composti carbonilici coniugati (come derivati aromatici del fenato di sodio, carbossilato di sodio) e simili.
(2) Materiali anodici: i materiali a base di carbonio sono i più maturi e dovrebbero assumere un ruolo guida nell'industrializzazione
Il materiale dell'elettrodo negativo subisce una reazione di riduzione durante la carica e una reazione di ossidazione durante la scarica e generalmente ha un potenziale di riduzione inferiore. Il materiale catodico ideale dovrebbe soddisfare i requisiti di basso potenziale di riduzione (ma deve essere superiore al potenziale di deposizione del sodio metallico), grande capacità reversibile, prestazioni del ciclo stabili, elevata conducibilità elettronica e ionica, struttura stabile e non teme l'aria, elevata sicurezza , e prezzo basso. Per una batteria agli ioni di sodio, il materiale dell'elettrodo negativo svolge un ruolo importante nel caricamento e nel rilascio di ioni di sodio, che influisce direttamente sulle prestazioni dinamiche complessive della batteria, come la velocità, la densità di potenza, ecc. Attualmente, i materiali anodici di sodio le batterie ioniche sono principalmente suddivise in cinque tipi: materiali a base di carbonio, materiali a base di titanio, materiali in lega, composti organici e altri sistemi. Tra questi, i materiali a base di carbonio hanno la più alta maturità tecnologica e sono ricchi di risorse e dovrebbero assumere un ruolo guida nella realizzazione dell'industrializzazione. modificare.
Materiali a base di carbonio: il carbonio morbido e il carbonio duro hanno i loro pregi e gli elettrodi negativi di grafite sono ancora allo studio
Secondo la microstruttura degli atomi di carbonio, i materiali anodici a base di carbonio sono suddivisi in materiali a base di grafite, materiali di carbonio amorfo e materiali di nano-carbonio. Diversamente dagli altri ioni di metalli alcalini, è difficile che gli ioni sodio intercalino efficacemente tra gli strati di grafite nei solventi carbonati, il che è dovuto principalmente al ΔG>0 della reazione di intercalazione ione sodio-grafite. Pertanto, l'anodo di grafite, ampiamente utilizzato nelle batterie agli ioni di litio, è difficile da utilizzare nelle batterie agli ioni di sodio con carbonato come solvente. Infatti, nei solventi eterei, la grafite può anche inserire e rimuovere efficacemente ioni sodio, ma la stabilità dell'elettrolita è indebolita ed è facile reagire con l'elettrodo positivo, che necessita di ulteriori studi. I materiali di carbonio amorfo hanno un'elevata capacità di accumulo di sodio specifica e sono anche i materiali anodici più vicini all'industrializzazione al momento. In base alla difficoltà della grafitizzazione del trattamento termico, è suddiviso in carbonio morbido e carbonio duro. Il carbonio morbido può essere completamente grafitizzato a temperature superiori a 2800 ° C e anche il carbonio duro è difficile da grafitizzare ad alte temperature. La differenza tra carbonio morbido e duro risiede nelle interazioni di reticolazione degli strati di carbonio nella microstruttura, che dipende fondamentalmente dalla struttura e dalla forma del precursore di carbonizzazione utilizzato. In generale, i precursori termoplastici (materie prime e sottoprodotti petrolchimici) tendono a formare carbonio morbido, mentre i precursori termoindurenti (biomasse, polimeri di resina, ecc.) tendono a formare carbonio duro. Relativamente parlando, il costo di produzione del carbonio morbido è inferiore, il processo è facile da controllare, ma la capacità specifica non è buona come quella del carbonio duro; la capacità specifica del carbonio duro è maggiore, ma l'efficienza del primo ciclo è spesso inferiore e le sue prestazioni dipendono dal precursore utilizzato e dal trattamento. processo, la resa di carbonio è bassa. Vale la pena ricordare che il meccanismo di stoccaggio del sodio dei materiali di carbonio duro non è ancora completamente compreso e c'è ancora molto spazio per miglioramenti. I nanomateriali di carbonio includono principalmente grafene e nanotubi di carbonio e gli ioni di sodio sono principalmente immagazzinati sulla sua superficie e presentano difetti per adsorbimento. La capacità specifica teorica di questi materiali è grande, ma la prima settimana l'efficienza coulombica è bassa, il potenziale di reazione è alto e il prezzo è alto. caro.
Materiali a base di titanio: potenziali vantaggi unici, difficilmente commercializzabili a breve termine
Il potenziale di riduzione del titanio tetravalente è generalmente basso, i suoi composti sono stabili all'aria e i composti di titanio con diverse strutture cristalline hanno diversi potenziali di accumulo di sodio, quindi vengono utilizzati per sviluppare materiali anodici. Attualmente, i materiali a base di titanio sono principalmente alcuni ossidi di titanio e composti polianionici. Gli ossidi includono Na2Ti3O7 stratificato, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 e Li4Ti5O12 di tipo spinello (utilizzato anche negli elettrodi negativi delle batterie agli ioni di litio), ecc. I composti polianionici includono NaTiOPO4 ortogonale, tipo NASICON di NaTi2(PO4)3. La capacità specifica di questi materiali non è generalmente elevata, ma hanno molti vantaggi unici. Ad esempio, Li4Ti5O12 è un materiale senza deformazioni, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 può agire sia come materiali positivi che negativi e NaTi2(PO4)3 può per batterie agli ioni di sodio a base d'acqua.
Materiali in lega: enorme capacità specifica teorica, difficoltà tecniche da superare
Il sodio metallico può formare leghe con Sn, Sb, In e altri metalli e può essere utilizzato come elettrodo negativo della batteria agli ioni di sodio, che è simile all'elettrodo negativo a base di silicio della batteria agli ioni di litio. I vantaggi di questo tipo di materiale sono un'elevata capacità specifica teorica e un basso potenziale di reazione, quindi ci si aspetta che produca batterie agli ioni di sodio con alta densità di energia e alta tensione. Tuttavia, la cinetica di reazione di questi materiali è scarsa e la variazione di volume prima e dopo la deinterizzazione del sodio può raggiungere diverse volte. Con l'enorme stress, è facile che il materiale attivo cada dalla superficie del collettore di corrente e la capacità specifica decade rapidamente.
Composti organici: condizioni di sintesi blande, ancora in fase di ricerca
I vantaggi e gli svantaggi dei materiali anodici organici sono simili a quelli dei materiali catodici organici. Le tipologie attuali comprendono principalmente composti carbonilici, composti base di Schiff, composti radicali organici e solfuri organici, che sono ancora in fase di ricerca di laboratorio.
Altri sistemi: i composti V e VI, per lo più metalli di transizione, sono ancora in fase di ricerca
Alcuni ossidi di metalli di transizione, solfuri, seleniuri, nitruri e fosfuri hanno anche attività elettrochimica per lo stoccaggio reversibile del sodio. Tali materiali sono spesso accompagnati da reazioni di conversione e reazioni di lega, quindi la loro capacità specifica teorica può superare i corrispondenti materiali anodici in lega, ma anche problemi più tecnici.
(3) Materiale dell'elettrolita: principalmente elettrolita liquido, la forma è la stessa della batteria al litio
L'elettrolito è un ponte per il trasferimento di materiale tra elettrodi positivi e negativi. Viene utilizzato per trasportare gli ioni per formare un circuito chiuso. È una garanzia importante per il mantenimento delle reazioni elettrochimiche. Non solo influisce direttamente sulla velocità, sulla durata del ciclo, sull'autoscarica e su altre prestazioni della batteria, ma determina anche la stabilità e la sicurezza della batteria. uno degli elementi centrali della sessualità. Secondo la forma fisica, l'elettrolito della batteria agli ioni di sodio può essere diviso in elettrolita liquido ed elettrolita solido.
Elettrolita liquido: come le batterie al litio, i sali di litio diventano sali di sodio
Gli elettroliti liquidi sono spesso indicati come elettroliti e generalmente sono costituiti da solventi, soluti e additivi. Poiché il limite superiore della finestra elettrochimica dell'acqua non supera i 2 V, il solvente è un solvente organico aprotico polare, che non solo può dissolvere una grande quantità di sali di sodio, ma non può anche rilasciare idrogeno protonico e ha anche un certo anti- capacità di ossidoriduzione. Ha una viscosità inferiore. Pertanto, i carbonati con alta costante dielettrica e alta viscosità sono generalmente utilizzati in combinazione con eteri con bassa costante dielettrica e bassa viscosità, quindi l'elettrolita è altamente infiammabile. I soluti sono principalmente sali di sodio con anioni a grande raggio, che si dividono in sali di sodio inorganici e sali di sodio organici. Sali di sodio, ecc. In generale, i sali di sodio organici sono più stabili, mentre i sali di sodio inorganici sono meno costosi. Attualmente si prevede che l'applicazione industriale sia principalmente l'esafluorofosfato di sodio, che ha una conduttività relativamente migliore, ma è altamente sensibile all'acqua. Il contenuto di additivi nell'elettrolita è inferiore al 5%, principalmente alcuni composti come sali di sodio, esteri, nitrili, eteri, ecc., che svolgono un ruolo nell'aiutare la formazione di film SEI e film CEI, protezione da sovraccarico e fiamma ritardante.
Elettrolita allo stato solido: per l'elettricità sodica allo stato solido, ancora in fase di ricerca
I materiali elettrolitici allo stato solido includono principalmente tre tipi: elettroliti inorganici allo stato solido, elettroliti polimerici allo stato solido ed elettroliti compositi allo stato solido. Grazie all'eliminazione di solventi organici infiammabili ed esplosivi, la sicurezza della batteria è stata notevolmente migliorata e la finestra elettrochimica è stata notevolmente ampliata, consentendo di utilizzare materiali catodici ad alto potenziale e anodi metallici di sodio, migliorando notevolmente l'energia densità dell'intera batteria. . Inoltre, a causa della rigida barriera elettrolitica solida tra gli elettrodi positivo e negativo, non è più necessario un separatore separato e, con il processo dell'elettrodo bipolare, la densità di energia del sistema della batteria può essere ulteriormente migliorata. Tali materiali stanno attualmente affrontando problemi come la conducibilità a bassa temperatura ambiente e l'elevata impedenza di interfaccia e la loro industrializzazione richiederà tempo.
1.2.2. Materiali inattivi: diaframmi, collettori di corrente, agenti conduttivi, leganti
I materiali inattivi nella batteria agli ioni di sodio includono principalmente diaframmi, collettori di corrente, agenti conduttivi, leganti, ecc. Non partecipano direttamente alla reazione elettrochimica, ma sono materiali ausiliari essenziali e la loro compatibilità con i materiali attivi e altri fattori avrà un impatto significativo sulle prestazioni della batteria.
(1) Diaframma: comune alle batterie agli ioni di litio
La funzione del separatore è quella di separare fisicamente gli elettrodi positivo e negativo per evitare il contatto diretto e la reazione tra i due, e allo stesso tempo di garantire l'infiltrazione e la penetrazione delle molecole di solvente, consentendo il rapido passaggio degli ioni sodio solvatati. Il materiale separatore ideale dovrebbe avere un buon isolamento elettronico e conduttività ionica, un'elevata resistenza meccanica e il più sottile possibile, un'elevata inerzia chimica (né reagiscono con l'elettrolita, né reagiscono con gli elettrodi positivi e negativi) e una buona stabilità termica sessuale. I separatori di polimeri poliolefinici, come PE, PP e film compositi, sono ampiamente utilizzati nelle batterie agli ioni di litio e questi materiali separatori possono essere trapiantati direttamente nel sistema di batterie agli ioni di sodio. In futuro, nel sistema di batterie agli ioni di sodio a stato solido, il materiale del diaframma non sarà più necessario.
(2) Collettore di corrente: entrambi gli elettrodi positivi e negativi sono realizzati in un foglio di alluminio
Il collettore di corrente è l'elemento di base a cui sono fissati i materiali attivi positivi e negativi, che rappresentano circa il 10-13% del peso della batteria, e viene utilizzato per raccogliere la corrente generata dal materiale dell'elettrodo e rilasciare la conduzione verso l'esterno . Sebbene il collettore di corrente non partecipi alla reazione dell'elettrodo, è la garanzia fondamentale per le prestazioni del materiale dell'elettrodo e la sua purezza, spessore, sollecitazione e altri parametri influenzano indirettamente le effettive prestazioni di lavoro dell'elettrodo. I materiali utilizzati come collettori di corrente devono avere un'eccellente conduttività elettrica, bassa resistenza di contatto con i materiali attivi, elevata inerzia chimica (non reagire con elettrolita ed elettrodi positivi e negativi), buona lavorabilità e proprietà meccaniche stabili. Nelle batterie agli ioni di litio, il collettore di corrente dell'elettrodo positivo è un foglio di alluminio e il collettore di corrente dell'elettrodo negativo è un foglio di rame per evitare la lega di alluminio e litio in condizioni di basso potenziale. Nelle batterie agli ioni di sodio, poiché il sodio e l'alluminio non subiscono una reazione di lega, i fogli di alluminio possono essere utilizzati per collettori di corrente sia positivi che negativi, evitando fogli di rame relativamente costosi.
(3) Agente conduttivo: come la batteria agli ioni di litio
Quando il materiale dell'elettrodo viene effettivamente utilizzato, è necessario aggiungere anche un agente conduttivo, che ha tre funzioni principali: ridurre l'autopolarizzazione del materiale dell'elettrodo, ridurre la resistenza di contatto tra le particelle di materiale attivo e tra il collettore di corrente, adsorbendo l'elettrolito e migliorare l'infiltrazione dell'effetto elettrodo. Gli agenti conduttivi comunemente usati sono materiali di carbonio con un'ampia superficie specifica e una buona conduttività, come nerofumo, polvere di grafite, nanotubi di carbonio e grafene.
(4) Raccoglitore: come la batteria agli ioni di litio
La funzione del legante è quella di combinare il materiale dell'elettrodo, l'agente conduttivo e il collettore di corrente per creare un'espansione polare completa che può essere utilizzata. Il materiale utilizzato come legante deve avere una buona stabilità, essere facile da lavorare e avere un costo contenuto. I leganti comunemente usati per le batterie agli ioni di sodio sono simili alle batterie agli ioni di litio, per lo più polimeri polari forti, come il fluoruro di polivinilidene (PVDF), l'alginato di sodio (SA), l'acido poliacrilico (PAA), la carbossimetilcellulosa di sodio (CMC), il politetrafluoroetilene (PTFE) , eccetera.
Processo e percorso di produzione: allo stesso modo delle batterie al litio
1.3.1. Sintesi del materiale degli elettrodi: solo il blu di Prussia è speciale
Il metodo di sintesi del materiale del catodo della batteria agli ioni di sodio deve essere determinato in base alla specifica categoria di materiale, che è principalmente suddivisa in metodo di reazione in fase solida e metodo di sintesi in fase liquida. I materiali di ossido e polianione possono essere sintetizzati sia con il metodo di reazione in fase solida che con il metodo di sintesi in fase liquida. Il processo di sintesi è sostanzialmente lo stesso di quello dei materiali corrispondenti per le batterie agli ioni di litio, quindi la linea di produzione può essere in una certa misura compatibile. Attualmente, il metodo di reazione in fase solida è il più utilizzato nell'industria. L'uniformità del prodotto preparato con questo metodo ha alcuni limiti, ma l'operazione è semplice e il processo tecnologico è breve, adatto per la produzione su larga scala. Il metodo di sintesi in fase liquida ha un'elevata uniformità del prodotto, ma è relativamente costoso, richiede attrezzature elevate e presenta molte acque reflue. Inoltre, esistono tecnologie come il metodo sol-gel, il metodo di sintesi a microonde, il metodo di essiccazione a spruzzo, il metodo a scambio ionico, ecc., che generalmente hanno costi elevati e non sono per il momento adatte alla produzione industriale.
1.3.2. Le batterie sono assemblate in gruppi: il processo di assemblaggio e la classificazione dell'aspetto sono gli stessi delle batterie agli ioni di litio
Simile alle batterie agli ioni di litio, anche la produzione di batterie agli ioni di sodio subisce processi come spappolamento, rivestimento, assemblaggio, iniezione di liquido e formazione chimica. Tra questi, il processo di assemblaggio consiste principalmente nel combinare le piastre positive e negative completate attraverso lo strato intermedio del diaframma per stabilire il percorso degli ioni di sodio all'interno della batteria e isolare gli elettrodi positivo e negativo per evitare cortocircuiti interni. Il processo di assemblaggio segue la tecnologia delle batterie agli ioni di litio ed è suddiviso in processi di avvolgimento e laminazione. Il primo è ulteriormente suddiviso in avvolgimento cilindrico e avvolgimento quadrato. Inoltre, la progettazione strutturale e il processo di confezionamento dei prodotti con batterie agli ioni di sodio seguono sostanzialmente la batteria agli ioni di litio e l'aspetto è approssimativamente suddiviso in tre categorie: cilindrico, soft pack e guscio rigido quadrato, ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi.
Confronto orizzontale: batteria al sodio vs batteria al litio, flusso liquido, piombo acido
Con l'avanzare dell'industrializzazione delle batterie agli ioni di sodio, è destinata ad avere vari gradi di impatto su altre tecnologie di batterie secondarie. Le prime a sopportare il peso maggiore sono le batterie agli ioni di litio, così come le batterie a flusso e le batterie al piombo che sono state a lungo ampiamente utilizzate sul mercato. In questa sezione, prevediamo brevemente il futuro panorama competitivo delle batterie agli ioni di sodio attraverso il confronto orizzontale tra le batterie agli ioni di sodio e le tre tecnologie di batteria sopra.
Batteria al sodio vs batteria al litio: prestazioni paragonabili al litio ferro fosfato, prestazioni di costo complete o superiori
La batteria agli ioni di sodio è un supplemento e un'estensione della batteria agli ioni di litio, non una relazione di sostituzione completa. Innanzitutto, in termini di prestazioni, il sistema esistente di batterie agli ioni di litio non è perfetto: le batterie a catodo ternario hanno un'elevata densità di energia, ma una scarsa durata del ciclo; le batterie al catodo al litio ferro fosfato hanno un ciclo di vita elevato, ma una bassa densità di energia; batterie al catodo al litio manganato La tensione di lavoro è elevata, ma la densità di energia e la durata del ciclo sono scarse. Inoltre, le batterie agli ioni di litio sono soggette a un grave sbiadimento della capacità alle basse temperature, richiedendo un sistema di controllo della temperatura, che consuma almeno il 5% dell'energia del sistema di batterie e aumenta i costi di produzione. Al contrario, la densità di energia del sistema di batterie agli ioni di sodio esistente si è avvicinata a quella del fosfato di ferro e litio; sebbene la durata del ciclo non sia buona come quella del litio ferro fosfato, è significativamente migliore dei materiali ternari e del manganato di litio.
In secondo luogo, dal punto di vista della sicurezza, poiché la temperatura iniziale di fuga termica della batteria agli ioni di sodio è leggermente superiore a quella della batteria agli ioni di litio, la sicurezza a livello di cella è stata migliorata, ma entrambe le batterie devono utilizzare sostanze organiche altamente infiammabili elettroliti, c'è il rischio di deflagrazione in condizioni di fuga termica. Dagli attuali esperimenti distruttivi come la puntura cellulare, la sicurezza effettiva della batteria agli ioni di sodio potrebbe essere simile a quella della batteria al litio ferro fosfato.
Infine, dal punto di vista dei costi, la batteria agli ioni di sodio può ridurre efficacemente il costo delle materie prime. In primo luogo, i composti di litio nei materiali attivi (catodo, elettrolita) sono sostituiti da composti di sodio nel loro insieme e metalli economici come ferro e manganese hanno ampiamente sostituito i metalli più costosi come cobalto e nichel nel catodo; secondo, il sodio metallico non si forma con l'alluminio metallico. In lega eutettica, i collettori di corrente sia positivi che negativi possono essere realizzati con un foglio di alluminio economico, sostituendo i più costosi collettori di corrente dell'elettrodo negativo in rame nella batteria originale agli ioni di litio; in terzo luogo, perché il raggio di Stokes degli ioni di sodio è più piccolo di quello degli ioni di litio, quindi la quantità di soluto nell'elettrolita può essere notevolmente ridotta. In futuro, è probabile che le batterie agli ioni di sodio formino un forte rapporto competitivo con le batterie al litio ferro fosfato, soprattutto nelle regioni alpine; le batterie agli ioni di litio continueranno a svilupparsi nella direzione di un'elevata densità di energia e di un'elevata tensione di lavoro e si svilupperanno gradualmente in batterie a stato solido, ecc. Nuove iterazioni tecnologiche.
Elettricità al sodio vs flusso liquido: i vantaggi e gli svantaggi sono altamente complementari o stanno fianco a fianco nel mercato dell'accumulo di energia
La batteria agli ioni di sodio e la batteria di flusso hanno una forte complementarità, la prima è adatta per l'accumulo di energia piccolo e flessibile e la seconda è adatta per l'accumulo di energia su larga e media scala. Una batteria di flusso è un dispositivo di accumulo di energia elettrochimico in fase liquida (principalmente sistema a fase acqua), caratterizzato dal fatto che il materiale di lavoro attivo è disciolto nell'elettrolita e l'accumulo e il rilascio di energia sono realizzati modificando lo stato di valenza di ossidazione di la materia attiva. I rappresentanti includono batterie a flusso all-vanadio, batterie a flusso ferro-cromo e batterie a flusso zinco-bromo. Il più grande vantaggio della batteria di flusso risiede nella sicurezza intrinseca del suo sistema in fase acqua e nella sua durata del ciclo ultra lungo, che è particolarmente adatta per impianti di accumulo di energia elettrochimica di medie e grandi dimensioni, ma gli svantaggi sono la bassa densità di energia e la temperatura di esercizio ridotta gamma, quindi è difficile miniaturizzare o applicare alle regioni alpine. Al contrario, la densità di energia di una batteria agli ioni di sodio è circa tre volte quella di una batteria a flusso e può resistere a una bassa temperatura di -40 °C, ma la sua sicurezza intrinseca e la durata del ciclo non sono buone come una batteria a flusso. In futuro, la batteria agli ioni di sodio e la batteria a flusso dovrebbero integrarsi a vicenda nel campo dell'accumulo di energia. Ad esempio, i piccoli dispositivi di accumulo di energia domestici e mobili hanno requisiti più elevati in termini di densità di energia e sono adatti all'uso di batterie agli ioni di sodio; le centrali elettriche ad accumulo di energia elettrochimica di grandi e medie dimensioni hanno requisiti di sicurezza più elevati e sono adatte all'uso di batterie a flusso.
Batteria al sodio vs piombo acido: sostituire gradualmente il tradizionale piombo acido, costringendo quest'ultimo ad aggiornarsi in modo iterativo
Si prevede che la batteria agli ioni di sodio sostituirà gradualmente le tradizionali batterie piombo-acido, costringendo lo sviluppo di nuove tecnologie come le batterie piombo-carbone. L'applicazione industriale delle batterie al piombo è stata più di un secolo e mezzo e il suo circuito industriale chiuso di "produzione-consumo-riciclaggio" è stato altamente completo. I vantaggi sono il basso costo, il facile riciclaggio e la buona sicurezza. Gli svantaggi sono la bassa densità di energia, la durata del ciclo breve, la ricarica richiede molto tempo. Attualmente, le batterie al piombo sono ancora in continuo sviluppo e aggiornamento. La più rappresentativa è la “batteria al piombo-carbonio” che integra la tecnologia dei supercondensatori. La sua durata del ciclo è di 3,000 volte, ha una capacità di ricarica rapida e mantiene le caratteristiche della batteria al piombo originale. Sicurezza e altri vantaggi, ma la densità di energia viene ulteriormente ridotta e anche il costo di produzione viene aumentato di conseguenza. Al contrario, la maggior parte delle prestazioni delle batterie agli ioni di sodio è migliore di quella delle tradizionali batterie al piombo. In futuro, poiché il costo sarà ulteriormente ridotto, si prevede che sostituirà gradualmente le tradizionali batterie al piombo. Allo stesso tempo, l'aumento delle batterie agli ioni di sodio può accelerare indirettamente il processo di aggiornamento e iterazione dalle tradizionali batterie piombo-acido alle batterie piombo-carbone. In futuro, le batterie piombo-acido potrebbero rinascere sotto forma di batterie piombo-carbone, piuttosto che ritirarsi completamente dalla fase storica. (Fonte del rapporto: Report Institute)
Stato del settore delle batterie al sodio
Attualmente, ci sono quasi 30 aziende coinvolte nel settore delle batterie agli ioni di sodio in tutto il mondo. Poiché i pro ei contro delle rotte tecniche sono ancora inconcludenti e non esiste uno standard unificato, la concorrenza di diverse imprese è essenzialmente la concorrenza di diverse rotte tecniche. Sebbene la storia della ricerca sulla batteria agli ioni di sodio duri mezzo secolo, il suo vero rapido sviluppo è stato nell'ultimo decennio, grazie a importanti scoperte nella ricerca e sviluppo di materiali per elettrodi. Riteniamo che il settore sarà ancora nella fase di transizione dal periodo di introduzione al periodo di crescita nei prossimi 3 anni.
Struttura industriale: simile alle batterie agli ioni di litio
La catena del settore delle batterie agli ioni di sodio è simile alle batterie agli ioni di litio, comprese quelle a monte, a metà ea valle. A monte: fornitura di materie prime e sintesi di materiali per elettrodi, le principali materie prime includono carbonato di sodio, foglio di alluminio, minerale di manganese, ecc., oltre a vari materiali ausiliari, che coinvolgono prodotti chimici di base e metalli non ferrosi e altre industrie. Midstream: confezionamento delle celle, costruzione e integrazione del sistema di batterie, ecc., che coinvolgono vari materiali di consumo e componenti elettronici. A valle: mercati di uso finale, compresi principalmente lo stoccaggio di energia e i veicoli elettrici a bassa velocità.
Grandi aziende: ci sono più di 20 aziende nel mondo e le aziende cinesi dominano
Società legate alle batterie agli ioni di sodio in patria e all'estero sono state fondate (o sono entrate in campo) dopo il 2010. Attualmente, ci sono più di 20 società collegate nel mondo, principalmente con sede in Cina, Stati Uniti, Europa e Giappone. La maggior parte di loro sono start-up. La ricerca e lo sviluppo tecnologico e il layout strategico sono i principali e la scala non è stata ancora formata.
3.2.1. Nazionale: Zhongke Haina ha accumulato molto e l'era Ningde ha preso il comando
la ricerca e l'industrializzazione delle batterie agli ioni di sodio del mio paese guidano il mondo nel mondo. Le imprese nazionali di batterie agli ioni di sodio possono essere suddivise in due categorie: una è una start-up creata dalla tecnologia auto-sviluppata degli istituti di ricerca scientifica, rappresentata da Zhongke Haina; l'altro è una società mature di batterie agli ioni di litio sono entrate nella pista della batteria agli ioni di sodio per partecipare alla competizione, rappresentata dall'era Ningde.
Fondata nel 2017, Zhongke Haina è la prima impresa high-tech in Cina che si concentra sullo sviluppo e la produzione di batterie agli ioni di sodio. È stato incubato dall'Istituto di fisica dell'Accademia cinese delle scienze e ha un team di ricerca e sviluppo guidato dall'accademico Chen Liquan e dal ricercatore Hu Yongsheng. , è una delle poche aziende produttrici di batterie con tecnologie brevettate di base in tutti i campi delle batterie agli ioni di sodio, ha lanciato una serie di progetti dimostrativi e ha avviato la costruzione della prima linea di produzione in scala 1GWh. In qualità di impresa tecnologica incubata dall'Istituto di fisica, Accademia cinese delle scienze, Zhongke Haina ha forti capacità di innovazione e ha dominato tutti i campi dalla ricerca di base e sviluppo di materiali attivi alla produzione in scala, dai materiali alle batterie, dalle singole celle alla batteria moduli e dai componenti della batteria alle applicazioni. tecnologia.
Fondata nel 2017, Ben'an Energy è un'impresa multinazionale high-tech impegnata principalmente nella ricerca, sviluppo e produzione di batterie agli ioni di sodio per sistemi idrici. L'azienda dispone di centri di ricerca e sviluppo globali a Singapore, in Cina e negli Stati Uniti per svolgere attività di ricerca e sviluppo di materiali, celle e strutture per batterie agli ioni di sodio a base d'acqua; le società regionali in Cina, negli Stati Uniti e in Australia sono responsabili della produzione di materiale per batterie e delle attività del mercato regionale. L'azienda si concentra sul campo di applicazione dell'accumulo stazionario di energia. I prodotti hanno le caratteristiche di elevata sicurezza intrinseca, protezione ambientale e non tossicità. Sono particolarmente adatti per centrali ad accumulo di energia in aree urbane densamente popolate, e sono adatte anche per la disposizione di ambienti interni; sono adatti anche per operazioni flottanti a lungo termine. , può essere ampiamente utilizzato nel sistema di alimentazione di backup industriale.
3.2.2. All'estero: la maggior parte di loro sono start-up, con una piccola scala e una forte prospettiva
Le imprese straniere di batterie agli ioni di sodio si trovano principalmente in paesi sviluppati come Europa, America e Giappone. Vari sistemi di materiali e percorsi tecnici sono adottati dalle aziende. La maggior parte di queste imprese ha un tempo di costituzione relativamente breve e una scala di produzione limitata, ma la loro tecnologia è molto lungimirante.
La società britannica Faradion spinge principalmente catodi di ossido stratificati. Fondata nel 2011, l'azienda è la prima impresa di batterie agli ioni di sodio commercializzata al mondo e attualmente detiene 31 brevetti di batterie agli ioni di sodio, che coprono i materiali delle batterie, l'infrastruttura della batteria, la sicurezza della batteria e il trasporto, ecc. L'azienda pone grande enfasi sul costo del prodotto e sulla densità energetica , con l'obiettivo finale di fornire prestazioni agli ioni di litio a un prezzo al piombo. Alla fine del 2021, la società è stata acquisita dall'indiana Reliance New Energy Solar Limited (RNESL) per 100 milioni di sterline, che investirà anche 25 milioni di sterline come capitale di crescita per accelerare il lancio commerciale della batteria agli ioni di sodio.
La società Natron Energy negli Stati Uniti spinge principalmente la batteria agli ioni di sodio del sistema idrico. Fondata nel 2012, l'azienda è un'impresa che sviluppa e produce batterie agli ioni di sodio a base d'acqua, promuovendo principalmente materiali catodici blu di Prussia. L'azienda attribuisce grande importanza alla sicurezza delle batterie agli ioni di sodio e non utilizza elettroliti di solventi organici. I suoi prodotti sono estremamente sicuri e hanno un lungo ciclo di vita. La densità di potenza è solo leggermente inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio, ma la densità di energia è paragonabile solo a quella delle batterie al piombo, principalmente per l'elettricità statica. Applicazioni di accumulo di energia (stazioni di ricarica rapida per data center, carrelli elevatori e veicoli elettrici). Attualmente, la sua batteria agli ioni di sodio è stata inizialmente commercializzata, con una linea di produzione pilota operante a Santa Clara, in California. Il prossimo obiettivo è espandere la produzione e formare una catena industriale di batterie agli ioni di sodio.
Sviluppo futuro: dare pieno gioco alla dotazione di risorse e al vantaggio comparativo dell'elettricità di sodio
Problemi attuali: materiali scadenti, costi elevati, standard indeterminati
4.1.1. La ricerca sui materiali deve essere promossa: meccanismo del carbonio duro, miglioramento delle prestazioni, valutazione della sicurezza
Al momento, ci sono ancora molte controversie sul meccanismo di accumulo di sodio del carbonio duro nel mondo accademico e non è stato completamente chiarito. Al fine di migliorare i difetti dell'anodo di carbonio duro esistente, come la bassa efficienza del primo ciclo, è necessario comprendere a fondo il meccanismo cinetico del suo accumulo di sodio e fornire la guida teorica più fondamentale per la ricerca e lo sviluppo tecnologico. C'è ancora molto spazio per migliorare le proprietà dei materiali della batteria agli ioni di sodio esistente. In generale, la densità di energia dell'attuale batteria agli ioni di sodio è lontana dal valore teorico e anche le prestazioni del suo ciclo devono essere ulteriormente migliorate. Da un lato, è necessario il miglioramento continuo dei materiali attivi. D'altra parte, è necessario considerare anche la progettazione complessiva del sistema e la gestione integrata. L'effettiva sicurezza operativa della batteria agli ioni di sodio richiede un'attenta valutazione. Al momento, l'esperimento di prova di sicurezza della batteria agli ioni di sodio è a livello di cella. I risultati mostrano che, sebbene la sicurezza sia elevata, la sicurezza dopo il funzionamento effettivo deve essere osservata con urgenza e non è consigliabile essere ciecamente ottimisti. In particolare, l'elettrodo positivo blu di Prussia rilascerà gas altamente tossici come acido cianidrico e cianuro in caso di fuga termica.
4.1.2. Il vantaggio in termini di costi resta da realizzare: ricerca e sviluppo tecnologico ed economie di scala sono indispensabili
La riduzione dei costi delle batterie agli ioni di sodio dipende dalla riduzione dei costi variabili attraverso l'iterazione tecnologica continua e dalla diluizione dei costi fissi attraverso la produzione di massa. In teoria, la batteria agli ioni di sodio ha un grande vantaggio in termini di costi dei materiali, ma il costo totale effettivo del prodotto attuale è superiore a 1 yuan/Wh, che è superiore a quello del fosfato di ferro e litio. effetto scala. Da un lato, i tipi di materiali degli elettrodi e i processi di produzione non sono standardizzati e anche i precursori mancano di una catena di approvvigionamento stabile e affidabile, il che porta a una bassa resa e consistenza dei materiali degli elettrodi e a costi effettivi elevati. Miglioramenti dell'esplorazione tecnologica. D'altra parte, il prezzo delle apparecchiature di produzione è elevato e la perdita di ammortamento è elevata, rappresentando circa il 20 ~ 30% del costo di produzione, che può essere diluito solo dalla produzione di massa.
4.1.3. Standard tecnici da formulare: standardizzare l'ordine del mercato e promuovere un sano sviluppo
L'industria delle batterie agli ioni di sodio deve stabilire uno standard scientifico unificato per regolamentare le attività di produzione delle imprese e promuovere uno sviluppo sano e ordinato del settore. In questa fase, i percorsi tecnici dei produttori impegnati nella ricerca e sviluppo e nella produzione di batterie agli ioni di sodio sono diversi e c'è una grande controversia su quale sia il migliore. Attualmente, i produttori si riferiscono principalmente alle batterie agli ioni di litio, combinate con le caratteristiche delle batterie agli ioni di sodio e lo sviluppo industriale, per formulare standard o specifiche di prodotto adatte alle rispettive aziende e utilizzarle per guidare la progettazione del prodotto e i processi di produzione per garantire la resa del prodotto e consistenza. Di conseguenza, le prestazioni del prodotto e il livello tecnico delle diverse imprese non sono uniformi. La formulazione unificata degli standard tecnici del settore può svolgere un ruolo migliore nella guida del settore ed è una garanzia necessaria per realizzare economie di scala. In particolare, gli standard di sicurezza sono una base importante per limitare la qualità dei prodotti e un mezzo importante per regolare l'ordine del mercato e promuovere uno sviluppo sano e sostenibile del settore.
Prospettive tecnologiche: maggiore sicurezza e maggiore energia specifica
4.2.1. Batteria agli ioni di sodio a base d'acqua: batteria agli ioni di sodio a sicurezza intrinseca
La sostituzione degli elettroliti organici con elettroliti acquosi può migliorare sostanzialmente la sicurezza delle batterie agli ioni di sodio. L'attuale batteria agli ioni di sodio continua il sistema di elettroliti organici della batteria agli ioni di litio, quindi è impossibile evitare fondamentalmente il rischio di deflagrazione. Se viene sostituito con una soluzione acquosa, non solo migliorerà notevolmente la sicurezza, ma semplificherà anche il processo di produzione, riducendo al contempo il processo di produzione. inquinamento ambientale. Allo stato attuale, è stato segnalato un gran numero di soluzioni di sistemi di batterie agli ioni di sodio a base d'acqua, tra cui il sistema blu di Prussia ha le migliori prestazioni di ciclo, e sono stati avviati tentativi di industrializzazione. Le società rappresentative includono Natron Energy e Ben'an Energy. A lungo termine, la batteria agli ioni di sodio a base d'acqua è una direzione molto promettente, soprattutto per l'accumulo di energia.
4.2.2. Batteria agli ioni di sodio allo stato solido: batteria agli ioni di sodio ad alta densità di energia
La sostituzione di elettroliti organici liquidi con materiali elettrolitici solidi può produrre batterie agli ioni di sodio allo stato solido. Grazie all'eliminazione di solventi organici infiammabili ed esplosivi, la sicurezza della batteria è stata notevolmente migliorata e la finestra elettrochimica è stata notevolmente ampliata, consentendo di utilizzare materiali catodici ad alto potenziale e anodi metallici di sodio, migliorando notevolmente l'energia densità dell'intera batteria. . Inoltre, a causa della rigida barriera elettrolitica solida tra gli elettrodi positivo e negativo, non è più necessario predisporre un separatore separato e, con il processo dell'elettrodo bipolare, la densità di energia del sistema della batteria può essere ulteriormente migliorata. Tali materiali stanno attualmente affrontando problemi come la conducibilità a bassa temperatura ambiente e l'elevata impedenza di interfaccia e la loro industrializzazione richiederà tempo.
4.2.3. Anodo di co-intercalazione multi-ospite: grafite come anodo universale
L'anodo di grafite può anche ottenere un'efficace intercalazione e deiintercalazione di ioni sodio complessati nella "reazione di co-intercalazione multi-guest". Poiché ΔG>0 della reazione di intercalazione ione sodio-grafite, è difficile per gli ioni sodio intercalarsi efficacemente tra gli strati di grafite nei solventi carbonati, quindi è difficile utilizzare elettrodi negativi di grafite. Infatti, nei solventi eterici, gli ioni sodio formano legami di coordinazione con atomi di ossigeno eterei, che possono essere co-inseriti tra gli strati di grafite sotto forma di ioni di coordinazione. Questa "reazione di co-inserimento multi-ospite" ha un importante significato illuminante. Da un lato, ciò significa che l'elettrodo negativo di grafite può essere utilizzato anche come elettrodo negativo della batteria agli ioni di sodio, condividendo così la linea di produzione del materiale con la batteria agli ioni di litio, il che favorisce una riduzione dei costi su larga scala. D'altra parte, questo apre la possibilità di progettare una nuova generazione di batterie a ioni multi-caricate. Tuttavia, gli elettroliti eterei hanno una stabilità debole e sono inclini a reagire con l'elettrodo positivo, il che richiede ulteriori ricerche approfondite
