Gli ioni di sodio stanno attirando l'attenzione in tutto il mondo, come alternativa agli ioni di litio, nelle batterie ricaricabili. Gli ioni di sodio sono eccellenti portatori di carica, come puoi vedere da questo semplice esperimento con una batteria ad acqua e cloruro di sodio.
I leader globali nel settore delle batterie stanno scommettendo molto sulle batterie agli ioni di sodio come futura spina dorsale dell’energia industriale verde. Se cerchi il mondo i 10 migliori produttori di batterie agli ioni di sodio, noterai che includono anche i maggiori produttori di batterie agli ioni di litio.
Poiché le caratteristiche chimiche delle batterie agli ioni di sodio e quelle agli ioni di litio sono simili, i produttori stanno sfruttando il comprovato know-how e le apparecchiature di produzione sugli ioni di litio per sviluppare rapidamente le batterie agli ioni di sodio. Un buon esempio è la cinese Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL), che è una di queste le prime 10 batterie agli ioni di litio produttori in Cina. CATL hanno lanciato il loro Batteria agli ioni di sodio di prima generazione con densità energetica di 160 Wh/kg.
Poiché le batterie agli ioni di sodio sono più ingombranti delle equivalenti batterie agli ioni di litio, al momento non sono ideali per i veicoli elettrici. Pertanto i produttori si rivolgono al mercato dello stoccaggio dell’energia, dove le dimensioni non sono importanti ma i costi, le prestazioni e la sicurezza delle catene di approvvigionamento sono considerazioni chiave. Gli scienziati lo credono Le batterie agli ioni di sodio sono la risposta alla sfida dello stoccaggio dell’energia rinnovabile.
In futuro, puoi aspettarti che le batterie agli ioni di sodio diventino più leggere e più potenti. Ciò significa che queste batterie diventeranno attraenti per il mercato dei veicoli elettrici. Tuttavia, potresti aver notato che recentemente il mercato dei veicoli elettrici non è stato robusto. A livello globale, il mercato dei veicoli elettrici ha vacillato, a causa dei loro costi elevati, della mancanza di infrastrutture di ricarica e, in molti casi, della revoca degli incentivi fiscali. Ulteriore, Le batterie agli ioni di litio potrebbero essere sostituite dalle celle a combustibile a idrogeno nel settore dei trasporti. Poiché gli ioni di litio sono limitati alle apparecchiature elettroniche più piccole, la tecnologia agli ioni di sodio può fare progressi a lungo termine.
Cos'è la batteria agli ioni di sodio?
Una batteria agli ioni di sodio è una batteria ricaricabile che utilizza ioni di sodio per trasportare la carica elettrica all'interno della batteria. Gli ioni di sodio si spostano tra l'anodo e il catodo, trasportando la corrente interna della cella, durante ogni ciclo di carica e scarica.
Come funziona una batteria agli ioni di sodio?
Potete vedere il principio alla base di una batteria agli ioni di sodio nella Figura 1. Le parti operative principali della batteria sono:
- Un anodo, che è poroso elettrodo e contiene numerosi atomi di sodio ionizzabili sulla sua superficie;
- Un Catodo, che è anche un elettrodo poroso, con superficie sufficiente a ricevere gli ioni Sodio provenienti dall'Anodo;
- Un separatore poroso che impedisce il contatto fisico tra anodo e catodo, ma consente agli ioni di sodio di spostarsi tra anodo e catodo;
- Un elettrolita liquido contenente sali di sodio disciolti. IL elettrolito agisce come un serbatoio di ioni di sodio che avviano una corrente interna una volta creata una differenza di tensione tra gli elettrodi.
Nella Figura 1, le palline gialle rappresentano ioni di sodio caricati positivamente mentre le palline rosse rappresentano atomi di sodio neutri. Ogni atomo di sodio neutro diventa uno ione carico positivamente, quando un elettrone viene estratto dal suo guscio elettronico più esterno.
Pertanto, una volta applicata una tensione esterna tramite un caricabatterie o una batteria più grande, gli elettroni vengono estratti dagli atomi di sodio attaccati all'anodo. Questi elettroni fluiscono nel circuito esterno e raggiungono il catodo. Il catodo acquisisce potenziale negativo a causa dell'accumulo di elettroni.
Contemporaneamente, gli atomi di sodio nell'anodo, avendo perso un elettrone ciascuno, diventano ioni positivi e lasciano l'anodo. A causa della differenza di potenziale viaggiano attraverso l'elettrolita verso il catodo. Al catodo, gli ioni positivi di sodio vengono neutralizzati dagli elettroni che vi arrivano dal circuito esterno. Gli atomi di sodio neutri risultanti si parcheggiano al catodo durante la restante parte del ciclo di carica.
Quando viene collegato un carico esterno e la batteria si scarica, inizia il viaggio inverso per gli ioni di sodio parcheggiati al catodo. Gli ioni di sodio ritornano all'anodo attraverso l'elettrolita, mentre gli elettroni dal catodo viaggiano attraverso il carico esterno all'anodo. Una volta all'anodo, gli ioni sodio vengono neutralizzati dagli elettroni provenienti dal circuito esterno. Gli atomi neutri di Sodio si parcheggiano all'anodo durante il resto del ciclo di scarica. Pertanto, l'intera vita degli ioni di sodio in questo tipo di batteria ricaricabile viene spesa facendo la spola tra l'anodo e il catodo!
La massima densità di traffico di ioni sodio dipende dalle proprietà dell'elettrolita e dalla struttura dell'anodo e del catodo. Questi sono parametri importanti nella progettazione della batteria, poiché determinano la densità di energia e la corrente.
Applicazioni
Gli esperti ritengono che le applicazioni ideali per le batterie agli ioni di sodio siano già presenti applicazioni di accumulo stazionario di energia nei settori delle energie rinnovabili e industriale. NIMA Il progetto nell’Unione Europea è focalizzato sullo sviluppo di due configurazioni di celle agli ioni di sodio ecologiche e sicure per il settore dello stoccaggio dell’energia.
Nel frattempo, in Cina è stata realizzata la prima implementazione commerciale al mondo di batterie agli ioni di sodio nel settore automobilistico. UN joint venture tra la cinese JAC e la tedesca Volkswagen ha lanciato un veicolo passeggeri a cinque posti alimentato da una batteria agli ioni di sodio da 25 kwh, con un'autonomia di 250 km.
Si stanno prendendo in considerazione anche le batterie agli ioni di sodio per i dispositivi elettronici personali, come laptop e telefoni cellulari. Sebbene siano più pesanti delle batterie agli ioni di litio, sono più economiche e più sicure, entrambi fattori importanti per i consumatori.
Un'altra applicazione delle batterie agli ioni di sodio è nei sistemi di alimentazione di riserva, come ad esempio UPS di Natron Energy .
In che modo la batteria agli ioni di sodio cambia il gioco:
Le batterie agli ioni di sodio apporteranno molti vantaggi ai mercati delle batterie ricaricabili. Questi includono:
Maggiore sicurezza
Rispetto alle batterie agli ioni di litio, le batterie agli ioni di sodio sono meno propense a prendere fuoco. Le future generazioni di ioni di sodio potrebbero utilizzare elettroliti allo stato solido che saranno assolutamente esenti da questo pericolo. Per esempio, Ricercatori australiani hanno sviluppato un elettrolita polimerico solido non infiammabile, da utilizzare con batterie agli ioni di sodio. Sono allo studio anche varie altre strategie per mitigare i rischi termici delle batterie agli ioni di sodio, tra cui selezione dei materiali per una maggiore sicurezza.
Costo più basso
Il costo delle batterie agli ioni di sodio per kwh è inferiore a un terzo rispetto a quello delle batterie agli ioni di litio. A causa del costo della materia prima.
Minore rischio della catena di fornitura
A differenza del litio, che viene estratto e raffinato solo in alcuni paesi, il sodio è facilmente disponibile in tutto il mondo. Ciò riduce significativamente i rischi della catena di approvvigionamento delle materie prime.
Batteria agli ioni di sodio rispetto alla batteria agli ioni di litio
Come consumatore o investitore, se dovessi scegliere tra i due, quale strada sceglieresti? Come consumatore guarderesti ai vantaggi immediati e alle prestazioni, mentre come investitore guarderesti a problemi più ampi e a lungo termine.
Confrontiamo i due tipi di batterie in base ad alcuni parametri chiave, rilevanti sia per i consumatori che per gli investitori.
| Parametro | Batteria agli ioni di litio | Batteria agli ioni di sodio |
| Maturità della tecnologia e delle catene di fornitura | La tecnologia è matura, esistono catene di fornitura globali consolidate. | La tecnologia di prima generazione viene commercializzata. Catene di fornitura limitate. |
| Costo | ~ $130 -$180/kwh | ~ $40-$55/kwh |
| Sicurezza | Elevato rischio di fuga termica a causa dell'incendio dei materiali delle celle a causa della produzione di calore incontrollata | Esiste il rischio di fuga termica per le batterie agli ioni di sodio, ma in futuro potrà essere eliminato mediante la selezione e la progettazione dei materiali delle celle. |
| Densita 'energia | 150 -250Wh/kg | 100-160 Wh / kg |
| Tensione | 3.0 ~ 4.5 V | 2.8 ~ 3.5 V |
| Stoccaggio a costo zero | Non consigliato, ridurrà la durata della batteria | Consentito. Non influenzerà la durata della batteria |
| Rischio della catena di fornitura | Elevato, a causa della fornitura di litio e della raffinazione concentrata in alcuni paesi. | Basso rischio, poiché il sodio è abbondantemente disponibile e la raffinazione è facile. |
Batterie agli ioni di sodio: presente e futuro
Le batterie agli ioni di sodio hanno fatto il loro ingresso nel momento giusto, quando l’attenzione globale è focalizzata sulla decarbonizzazione dell’energia. Le batterie agli ioni di sodio di prima generazione hanno già dimostrato numerosi vantaggi rispetto agli ioni di litio, in particolare in termini di costi e parametri di sicurezza.
Tuttavia, l’attuale domanda di tali batterie ricaricabili è guidata dai veicoli elettrici e dai dispositivi elettronici personali, dove le batterie al litio dominano il mercato. A causa della minore densità di potenza e del peso maggiore, sarà difficile per gli ioni di sodio competere utilizzando le batterie di prima generazione. Pertanto, molti sforzi di ricerca e sviluppo sono destinati al miglioramento della densità di potenza delle batterie agli ioni di sodio. In effetti, da allora una svolta potrebbe essere vicina CATL ha annunciato che la sua prossima generazione di batterie agli ioni di sodio raggiungerà i 200 kwh/kg. Il miglioramento della densità energetica a costi competitivi sarà una sfida continua per tutti i tipi di batterie. Ad esempio, CATL sta ancora una volta dettando il passo lavorando su un futuristico sistema al litio Batteria a materia condensata da 500 kwh/kg.
Nel medio termine, l’aumento degli investimenti nelle energie rinnovabili da parte dei paesi di tutto il mondo aumenterà la domanda di sistemi di accumulo dell’energia. I produttori di batterie agli ioni di sodio vedono questa come l’opzione migliore, una volta decollata.
Oltre all’energia e alla densità di potenza, la tecnologia delle batterie agli ioni di sodio continua a svilupparsi, per colmare il divario con la tecnologia agli ioni di litio. Gli scienziati stanno risolvendo i problemi legati al degrado dei materiali, sviluppando anodi, catodi ed elettroliti più economici e migliori, migliorando la sicurezza e la capacità di riciclo.
Dovranno ampliarsi anche le filiere delle batterie agli ioni di sodio, per le quali occorrerà fare i necessari investimenti.
In conclusione, le batterie agli ioni di sodio sono emerse come un serio concorrente delle loro controparti agli ioni di litio. Tuttavia, ci vorranno molti anni di sviluppo e di successo commerciale prima di poter affermare che le batterie agli ioni di sodio rappresentano il futuro dell’energia.
