なぜ発火したり爆発したりしないナトリウムイオン電池がリチウム電池に取って代わられなかったのでしょうか?

目次

ナトリウムイオンは、リチウムイオンに代わる二次電池として世界中で注目を集めています。この単純な塩化ナトリウムと水の電池実験からわかるように、ナトリウムイオンは優れた電荷担体です。

電池業界の世界的リーダーは、将来のグリーン産業エネルギーの基幹としてナトリウムイオン電池に大きな賭けをしています。世界を調べてみると、 ナトリウムイオン電池メーカートップ10, リチウムイオン電池の最大手メーカーも含まれていることがわかります。

ナトリウムイオン電池とリチウムイオン電池の化学的性質は似ているため、メーカーは実績のあるリチウムイオンのノウハウと生産設備を活用してナトリウムイオン電池を迅速に開発しています。良い例は、中国の Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) です。 トップ 10 リチウムイオン電池 中国のメーカー。 CATL は、 エネルギー密度160Wh/kgの第一世代ナトリウムイオン電池.

ナトリウムイオン電池は同等のリチウムイオン電池よりも大きいため、現時点では電気自動車には理想的ではありません。したがって、メーカーは、規模は重要ではなく、コスト、パフォーマンス、安全なサプライチェーンが重要な考慮事項であるエネルギー貯蔵市場をターゲットにしています。科学者たちは次のように信じています ナトリウムイオン電池は再生可能エネルギー貯蔵の課題に対する答えです.

将来的には、ナトリウムイオン電池がより軽く、より強力になることが期待できます。これは、これらのバッテリーが電気自動車市場にとって魅力的なものになることを意味します。しかし、最近の電気自動車市場は好調ではないことにお気付きかもしれません。世界的に電気自動車市場は、高コスト、充電インフラの不足、多くの場合財政的インセンティブの撤回などの理由で低迷している。さらに遠く、 輸送部門ではリチウムイオン電池が水素燃料電池に取って代わられる可能性がある。リチウムイオンが小型の電子機器に限定される中、ナトリウムイオン技術は長期的に前進する可能性があります。

ナトリウムイオン電池とは何ですか?

ナトリウムイオン電池は、ナトリウムイオンを使用して電池内の電荷を輸送する充電式電池です。ナトリウムイオンは、充電と放電の各サイクル中に、アノードとカソードの間を行き来し、内部セル電流を運びます。

ナトリウムイオン電池はどのように動作するのですか?

あなたが見ることができます ナトリウムイオン電池の原理  図 1 に示します。バッテリーの主な動作部分は次のとおりです。

  • 多孔質であるアノード 電極 その表面にはイオン化可能なナトリウム原子が豊富に含まれています。
  • カソードも多孔質電極であり、アノードから来るナトリウムイオンを受け取るのに十分な表面積を持っています。
  • アノードとカソード間の物理的接触を防ぎますが、ナトリウムイオンがアノードとカソードの間を行き来できるようにする多孔質セパレータ。
  • ナトリウム塩が溶解した液体電解質。の 電解質 電極間に電圧差が生じると内部電流を開始するナトリウムイオンの貯蔵庫として機能します。

図 1 では、黄色のボールは正に帯電したナトリウムイオンを表し、赤色のボールは中性のナトリウム原子を表します。中性の各ナトリウム原子は、最も外側の電子殻から電子が引き抜かれると、正に帯電したイオンになります。

そのため、充電器または大型バッテリーを介して外部電圧が印加されると、アノードに結合したナトリウム原子から電子が引き出されます。これらの電子は外部回路に流れ込み、カソードに到達します。カソードは電子の蓄積により負の電位を獲得します。

同時に、アノードのナトリウム原子は電子を 1 つずつ失い、陽イオンになってアノードから出ます。電位差により、それらは電解質を通ってカソードに向かって移動します。カソードでは、正のナトリウムイオンが外部回路からそこに到達する電子によって中和されます。結果として生じる中性のナトリウム原子は、充電サイクルの残りの部分の間、陰極に留まります。

外部負荷が接続され、バッテリーが放電すると、カソードに留まったナトリウムイオンの逆行が始まります。ナトリウムイオンは電解質を通ってアノードに戻りますが、電子はカソードから外部負荷を通ってアノードに移動します。陽極に到達すると、ナトリウムイオンは外部回路から入ってくる電子によって中和されます。中性のナトリウム原子は、放電サイクルの残りの間、アノードに留まります。したがって、このタイプの充電式バッテリー内のナトリウム イオンの寿命は、アノードとカソードの間を往復することに費やされます。

ナトリウムイオンの最大トラフィック密度は、電解質の特性およびアノードとカソードの構造によって異なります。これらはバッテリー設計における重要なパラメーターであり、エネルギー密度と電流を決定します。

アプリケーション

専門家は、ナトリウムイオン電池の理想的な用途は次のようなものであると考えています。 再生可能エネルギーおよび産業分野における定置型エネルギー貯蔵用途を選択します。 ナイマ 欧州連合のプロジェクトは、エネルギー貯蔵部門向けの環境に優しく安全なナトリウムイオン電池の 2 つの構成の開発に焦点を当てています。

一方、自動車分野における世界初のナトリウムイオン電池の商業展開が中国で達成されました。あ 中国のJACとドイツのフォルクスワーゲンとの合弁会社  は、25 kwh のナトリウムイオン電池を搭載し、航続距離 250 km の XNUMX 人乗り乗用車を発売しました。

ナトリウムイオン電池は個人用電子機器への採用も検討されている、ラップトップや携帯電話など。リチウムイオン電池よりも重いですが、安価で安全であり、どちらも消費者にとって重要な考慮事項です。

ナトリウムイオン電池のもう 1 つの用途は、バックアップ電源システムです。 Natron Energy の UPS .

ナトリウムイオン電池がゲームをどう変えるか:

ナトリウムイオン電池は、充電式電池市場に多くのメリットをもたらします。これらには次のものが含まれます。

より高い安全性

ナトリウムイオン電池はリチウムイオン電池に比べて発火しにくいです。将来の世代のナトリウムイオンには、この危険性がまったくない固体電解質が使用される可能性があります。例えば、 オーストラリアの研究者が不燃性固体高分子電解質を開発、ナトリウムイオン電池で使用します。ナトリウムイオン電池の熱リスクを軽減するための他のさまざまな戦略も研究されています。 安全性を高めるための材料の選択.

低コスト

1kwhあたりのナトリウムイオン電池のコスト リチウムイオン電池の3分の1以下です。原材料費がかかるからです。

サプライチェーンのリスクの低減

少数の国でのみ採掘および精製されるリチウムとは異なり、ナトリウムは世界中で簡単に入手できます。これにより、原材料のサプライチェーンのリスクが大幅に軽減されます。

ナトリウムイオン電池 vs リチウムイオン電池

消費者または投資家として、どちらかを選択しなければならないとしたら、どちらを選びますか?消費者としては当面のメリットやパフォーマンスの特徴に注目するでしょうが、投資家としてはより大きな長期的な問題に注目することになります。

消費者だけでなく投資家にも関係するいくつかの重要なパラメーターに関して 2 種類のバッテリーを比較してみましょう。

リチウムイオン電池ナトリウムイオン電池
テクノロジーとサプライチェーンの成熟度テクノロジーは成熟しており、グローバルなサプライチェーンが確立されています。第一世代技術が商品化される。限られたサプライチェーン。
費用~ $130 -$180/kwh~ $40-$55/kwh
安全性制御されていない熱生成によるセル材料の発火による熱暴走の高いリスク  ナトリウムイオン電池には熱暴走のリスクが存在しますですが、将来的には細胞材料の選択と設計によって排除できる可能性があります。
エネルギー密度150~250Wh/kg100〜160 Wh / kg
電圧3.0~4.5V2.8~3.5V
充電ゼロでの保管推奨されません。バッテリー寿命が短くなります許可されています。バッテリー寿命には影響しません
サプライチェーンのリスクリチウムの精製が数カ国に集中しているため、高い。ナトリウムが豊富に入手でき、精製も容易なため、リスクが低い。

ナトリウムイオン電池の現在と未来

ナトリウムイオン電池は、エネルギーの脱炭素化に世界的な注目が集まっている適切なタイミングで登場しました。第一世代のナトリウムイオン電池は、特にコストと安全性のパラメータにおいて、リチウムイオンに比べていくつかの利点をすでに実証しています。

しかし、このような充電式電池の現在の需要は電気自動車や個人用電子機器によって牽引されており、リチウム電池が市場を支配しています。電力密度が低く、重量が重いため、ナトリウムイオンが第 1 世代の電池を使用して競争するのは困難になります。したがって、ナトリウムイオン電池の出力密度の向上に多くの研究開発が行われています。実際、ブレークスルーは近いかもしれない。 CATLは、次世代ナトリウムイオン電池が200kwh/kgを達成すると発表した。競争力のあるコストでエネルギー密度を向上させることは、あらゆるタイプのバッテリーにとって終わりのない課題となります。たとえば、CATL は、未来的なリチウムベースの製品に取り組んで、ここでもペースを設定しています。 500kwh/kg凝縮物バッテリー.  

中期的には、世界中の国々による再生可能エネルギーへの投資の増加により、エネルギー貯蔵システムの需要が高まるでしょう。ナトリウムイオン電池メーカーは、これが実用化されれば最良の選択肢であると考えています。

エネルギーと出力密度とは別に、ナトリウムイオン電池技術はリチウムイオン技術との差を埋めるために開発を続けています。科学者たちは材料の劣化に関する問題を解決し、より安価で優れたアノード、カソード、電解質を開発し、安全性とリサイクル能力を向上させています。

ナトリウムイオン電池のサプライチェーンも拡大する必要があり、そのために必要な投資を行う必要があります。

結論として、ナトリウム イオン電池は、リチウムイオン電池に対する深刻な競合相手として浮上しています。しかし、ナトリウムイオン電池がエネルギーの未来を代表すると言えるようになるまでには、開発と商業的成功に何年もかかるでしょう。

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