기술개요: 나트륨이온전지의 과거와 현재
기본 개념과 역사적 배경: 리튬 배터리의 "쌍둥이 형제"
최근 몇 년 동안 청정 에너지 개발은 세계 대부분의 국가에서 합의가 되었습니다. 우리나라는 '탄소피킹과 탄소중립'이라는 원대한 목표를 제시하기도 했습니다. 태양광, 풍력, 조력에너지 등 청정에너지 발전기술이 빠르게 발전하고 있다. 그것은 간헐적이고 무작위적이며 강한 지리적 의존성을 가지고 있습니다. 신에너지 발전의 시간적, 공간적 제약을 해결하고 신에너지의 활용도를 높이기 위해 에너지 저장 기술의 중요성이 날로 부각되고 있다. 전기 에너지의 변환 및 저장 방법에 따라 에너지 저장 기술은 물리적 에너지 저장, 화학적 에너지 저장 및 전기 화학적 에너지 저장으로 구분됩니다. 그 중 전기화학적 에너지 저장은 이차전지 기술과 슈퍼커패시터를 포함하며, 이는 높은 에너지 변환 효율과 빠른 응답속도를 특징으로 한다. 특히 이차전지 기술은 에너지 밀도가 높고 모듈화가 용이하다는 장점도 있다.
이차 전지 또는 축전지라고도 하는 이차 전지는 가역적인 화학 반응을 이용하고 충전 및 방전을 반복하여 전기 에너지와 화학 에너지를 서로 변환하여 에너지 저장을 달성할 수 있는 장치입니다. XNUMX차 전지의 에너지 저장 능력은 에너지 밀도(비에너지라고도 함), 즉 단위 질량 또는 부피당 배터리가 출력할 수 있는 총 에너지로 표시되며, 이는 비 용량과 평균 방전 전압. 비 용량은 이론적으로 전극 반응에 참여하는 물질의 몰 질량과 전자를 얻거나 잃은 수에 의해 결정됩니다. 따라서 전하 캐리어의 전하 대 질량 비율이 클수록 배터리의 이론적인 비용량이 커집니다. 이론적으로 방전 전압은 주로 양극과 음극 물질의 전위차와 내부 저항에 의해 결정됩니다. 따라서 양극 전위가 높을수록 음극 전위가 낮아지고 배터리 내부 저항이 작을수록 방전 전압이 높아집니다. 둘째, 전하 캐리어는 배터리의 속도 용량과 전력 밀도에 직접적인 영향을 미치는 우수한 수송 용량과 운동 활성을 가져야 합니다. 마지막으로 전극 반응의 가역성 및 부반응과 같은 요인이 이차 전지의 사이클 성능과 수명을 결정합니다. 리튬으로 대표되는 알칼리 금속은 산화환원전극전위가 가장 낮고 이온전하율이 크며 탈용매에너지가 낮아 1960년대 초반부터 이차전지의 음극재로 시도되었다. 초기 리튬 이온 배터리는 금속 리튬 또는 리튬 합금을 음극으로 사용하고 전이 금속 할로겐화물(AgCl, CuCl, NiF2 등)을 양극으로 사용했지만 이러한 양극 재료는 전도성이 낮고 용해되기 쉽고, 그리고 충방전의 양이 급격하게 변해 해결하기 어렵다. 1960년대 후반, TiS2로 대표되는 전이금속-칼코게나이드 화합물은 층간 인터칼레이션 및 디인터칼레이션 능력이 있는 것으로 밝혀져 리튬 이온 배터리의 양극 재료로 사용될 수 있으며, 높은 전기 전도성 및 전기화학적 반응성을 갖는다. 실용적인 가치가 있는 2.2V. 그러나 금속 리튬의 높은 활성으로 인해 배터리 사고가 자주 발생하여 사람들이 리튬 삽입 화합물(예: 리튬 삽입 흑연)을 음극으로 사용하게 되었습니다. 이것은 "흔들 의자 배터리"의 개념입니다. 낮은 삽입 전위 화합물을 음극으로 사용하고 높은 삽입 전위 화합물은 양극으로 작용하여 알칼리 금속 수상 돌기의 문제를 피합니다. 리튬 인터칼레이션 화합물의 음극 전위가 금속 리튬보다 높기 때문에 배터리의 전체 전압과 에너지 밀도가 감소하여 사람들이 새로운 양극 재료를 찾도록 강요하고 양극을 연속적으로 발견했습니다. 코발트산리튬, 망간산리튬 및 인산철리튬과 같은 물질.
나트륨 이온 배터리의 비용 및 속도 기능은 리튬 이온 배터리에 비해 장점이 있습니다. 나트륨과 리튬은 주기율표에서 같은 족에 속하며 원자가 전자의 수가 같으며 화학적 성질이 더 활발합니다. 나트륨의 원자 질량과 반경은 리튬보다 훨씬 크기 때문에 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도는 분명히 리튬 이온 배터리와 비교하기 어렵지만 나트륨의 자연적 풍부함은 풍부합니다. 밀도의 정도는 리튬의 천 배 이상이며 나트륨 이온의 탈용매 에너지는 리튬 이온보다 훨씬 낮습니다. 나트륨 이온 배터리는 1970년대에 리튬 이온 배터리와 거의 같은 시기에 나왔지만 둘의 연구 과정은 약간 다릅니다. 당시 처음 등장한 나트륨 이차 전지는 나트륨-황 전지로, 원소 황과 금속 나트륨을 양극과 음극으로, β-알루미나 속이온 전도체를 고체 전해질로 하고 작동 온도는 300~350°였다. 씨. 이 고온 나트륨-황 전지는 높은 에너지 밀도(150~240Wh/kg)와 2500배의 사이클 수명을 갖는 반면, 유사한 리튬-황 전지는 10배 미만의 사이클 수명을 갖는다. 나트륨 이차 전지의 안전성을 향상시키기 위해 리튬 이온 전지와 유사한 아이디어를 사용하여 상온 나트륨 이온 전지가 개발되었습니다. (Na2M2(PO3)2, M은 전이금속임). 그러나 4년대 후반 나트륨 이온 전지에 대한 연구가 식어 관련 연구가 거의 중단되었습니다. 여기에는 세 가지 이유가 있습니다. 첫째, 적합한 음극 물질을 찾기가 어렵습니다(에스테르 용매에서 리튬을 효율적으로 저장할 수 있는 흑연은 나트륨을 저장하기 어렵습니다). 둘째, 연구 조건이 제한적입니다(시스템의 수분 및 산소 함량이 높고 금속 사용이 어렵습니다. 나트륨은 재료 평가 실험의 벤치마크 전극으로 사용되었습니다). 셋째, 리튬 이온 배터리가 3위를 차지했습니다(많은 연구자들이 리튬 이온 배터리 방향을 정박했습니다).
21세기까지 나트륨 이온 배터리는 전환점을 맞았습니다. 2000년에 포도당을 열분해하여 얻은 경질 탄소 재료가 300mA h/g의 나트륨 저장 용량을 가지고 있음이 밝혀져 나트륨 이온 배터리의 중요한 음극 재료가 됩니다. 2007년에 다중음이온 양극재인 Na2FePO4F가 발견되었고 이 물질의 체적변형률은 3.7%에 불과했으며 거의 변형이 없었다. 2000년부터 2010년까지 나트륨 이온 배터리의 연구 속도는 상대적으로 느렸으며 주로 소수의 실험 팀에 집중되었습니다. 2010년 이후 나트륨 이온 전지에 대한 연구가 봄에 들어섰고, 신소재 시스템이 등장하면서 점차 산업화를 시도하고 있다.
작동 원리 및 재료: 리튬 배터리와 유사
나트륨 이온 배터리의 작동 원리는 리튬 이온 배터리의 작동 원리와 정확히 동일합니다. 즉, 특정 전위 조건에서 호스트 재료에서 게스트 알칼리 금속 이온의 가역적 탈착 및 삽입이 더 높은 삽입 전위가 사용됩니다. 양극으로, 낮은 삽입 전위가 양극으로 사용됩니다. 음극, 전체 배터리의 충방전 사이클 과정은 양극과 음극 사이의 알칼리 금속 이온의 왕복 방향 이동 과정입니다. 이 작동 메커니즘을 가진 배터리는 M. Armand가 제안한 "흔들 의자 배터리"입니다. 나트륨 이온 배터리의 구성 구조는 주로 양극, 음극, 전해질, 분리막 및 집전체를 포함하여 리튬 이온의 구성 구조와 정확히 동일합니다. 재료 호스트가 전기 화학 반응 과정에 직접 참여하는지 여부에 따라 활성 물질과 불활성 물질로 나눌 수 있습니다.
활물질: 양극, 음극, 전해질
나트륨 이온 전지의 활물질에는 양극재, 음극재, 전해질 물질이 있으며, 이들은 전기화학 반응에 직접 참여하여 전지의 고유 특성을 결정한다. 나트륨 이온의 반경 및 전자 구조는 리튬 이온과 매우 다르기 때문에 반응의 열역학 및 동역학 거동이 상당히 다르기 때문에 나트륨 이온 전지용 활물질의 연구 개발은 리튬 이온 전지를 완전히 모방할 수 없습니다.
(1) 음극 재료: 산화물, 프러시안 블루, 폴리음이온 세 가지 주요 라인
양극재는 충전시 산화반응, 방전시 환원반응을 일으키며 일반적으로 환원전위가 크다. 이상적인 양극 재료는 높은 환원 전위(전해질의 산화 전위보다 낮아야 함), 큰 가역 용량, 안정적인 사이클 성능, 높은 전자 및 이온 전도성, 안정적인 구조 및 공기를 두려워하지 않는 높은 안전성의 요구 사항을 충족해야 합니다. , 그리고 저렴한 가격. 나트륨 이온 전지의 경우 기존 양극재의 이론 용량이 상대적으로 낮아 전지 전체 용량을 결정하는 주요 요인 중 하나가 된다. 현재 나트륨 이온 배터리의 양극 재료는 주로 산화물, 다중 음이온, 프러시안 블루, 불화물 및 유기 화합물의 XNUMX가지 유형으로 구분됩니다. 처음 XNUMX가지 유형은 성숙도가 가장 높고 산업화 초기 단계에 진입했습니다. .
산화물: 가장 성숙한 기술, 높은 비용량 및 가장 풍부한 유형
산화물계 양극재는 일반적으로 전이금속 산화물로 주로 층상 산화물과 터널 산화물을 포함한다. 층상 산화물에 대한 연구는 가장 초기에 가장 광범위합니다. 리튬 이온 배터리와 비교할 때 Mn, Co 및 Ni의 세 가지 원소만 포함하는 층상 산화물 음극은 가역적인 전기화학적 활성을 가지고 있습니다. Na-ion 배터리는 선택 범위가 더 넓습니다. 네 번째 주기 Ti에서 Ni로의 전이 금속은 활성이 높으며 작동 메커니즘이 더 복잡하며 종종 다중 상전이 거동을 동반합니다. 층상 산화물의 일반 공식은 NaxMO2이며, 여기서 M은 전이 금속입니다. 일반적인 구조 유형에는 주로 O3 유형과 P2 유형이 있습니다. 전자는 비용량이 더 높지만 속도와 사이클 성능이 좋지 않습니다. 후자는 더 나은 속도 및 주기 성능을 갖습니다. , 그러나 실제 특정 용량은 약간 더 낮습니다. 또한, 층상 산화물은 공기 중에서 흡습성 가수분해에 민감한 경향이 있습니다. 이 단계에서 층상 산화물은 높은 에너지 밀도와 성숙한 제조 기술을 가지고 있으며 산업화, 특히 더 나은 안정성을 가진 P2형 층상 산화물을 주도할 것으로 예상됩니다. 터널형 산화물은 XNUMX차원 기공 구조를 가지며 나트륨 함량이 낮은 산화물에서 흔히 발견됩니다. 그들은 우수한 사이클링 및 속도 성능을 가지며 물과 산소에 안정적이지만 비 용량이 너무 낮습니다. 미래에 터널 산화물은 나트륨이 풍부한 음극 및 수성 나트륨 이온 배터리의 연구 및 개발에서 잠재적인 경쟁 우위를 가질 수 있습니다.
프러시안 블루: 낮은 재료 비용, 높은 특정 용량, 높은 기술 장벽
프러시안 블루 캐소드 물질은 일반식 AxM1[M2(CN)6]1-y·□y·nH2O를 갖는 전이 금속 시안화물 배위 중합체이며, 여기서 A는 알칼리 금속 이온이고, M1 및 M2는 전이 금속 이온(N에 배위됨 및 C), □는 [M2(CN)6] 결손이다. 시안화물 이중 배위의 독특한 전자 구조와 열린 XNUMX차원 공간으로 인해 재료는 안정적인 구조, 빠른 삽입 및 방출 속도, 큰 비용량의 장점이 있습니다. 또한, 이러한 물질의 핵심 전이금속은 Fe, Mn과 같은 값싼 금속이 주를 이루고 있으며, 원료의 입수가 용이하고 비용이 저렴하다. 그러나 실제 적용에서 격자 수분 함량(결정수 및 흡착수 포함) 및 재료의 결손 밀도는 배터리 성능을 심각하게 제한하여 용량 활용, 에너지 효율 및 사이클 수명을 감소시킵니다. 최근 연구자들이 프러시안 블루 양극재를 사용하는 나트륨 이온 배터리가 열폭주 조건에서 독성이 강한 시안화수소와 시안화 가스를 방출한다는 사실을 발견했으며, 열분해 메커니즘은 격자수 및 결손과 밀접한 관련이 있다는 사실을 언급할 가치가 있습니다. 밀접하게 관련하여이 기술은 재료 품질에 대한 요구 사항이 더 높음을 알 수 있습니다. 또한, 이 물질의 준비에는 생산 및 공급에 대한 특별한 자격이 필요한 고독성 시안화나트륨이 포함됩니다.
폴리음이온: 최고의 안전성, 너무 낮은 비용량, 높은 재료비
다중음이온 기반 음극 물질은 결정 구조가 일련의 사면체 및 다면체 음이온 단위로 구성된 나트륨 함유 이중염을 말하며 일반식은 NaxMy(XaOb)zZw입니다. , 여기서 M은 전이 금속 또는 알칼리 토금속과 같은 양이온이고, X는 인 또는 황과 같은 높은 전기음성 원소이며, Z는 불소 또는 수산화물과 같은 음이온이다. 이러한 유형의 재료의 음이온 다면체 단위는 강한 공유 결합을 가지므로 결정 구조가 매우 안정하고 화학적 안정성, 열적 안정성 및 전기 화학적 안정성이 높기 때문에 사이클 수명과 안전성이 우수합니다. , 전압 플랫폼이 넓은 경향이 있습니다. 둘째, 전이 금속 이온의 원자가 전자는 높은 수준의 국재화를 가지며 이 전자 구조는 강한 전기 음성 요소의 유도 효과를 쉽게 활용하여 재료의 작동 전압을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 넓은 밴드갭 특성으로 인해 고유의 전자 전도도가 매우 낮아 속도 능력이 크게 제한되며 전도성 물질 또는 나노 스케일을 추가하여 수정해야 합니다. 또한이 재료의 비 용량은 일반적으로 낮습니다. 현재 가장 대표적인 다가음이온성 물질은 olivine형 NaFePO4와 NASICON형 Na3V2(PO4)3로 대표되는 인산염이 주를 이룬다. NaFePO4의 구조는 리튬 철 인산염의 구조와 동일하지만 합성은 복합 이온 교환 방법에 의존해야 하며 비용이 높습니다. Na3V2(PO4)3는 우수한 속도 성능과 사이클 수명을 갖지만 비용량은 감람석 유형 재료보다 낮습니다. 또한 피로인산염, 황산염, 몰리브덴산염과 같은 새로운 다가음이온성 물질도 연구 중입니다. 이러한 시스템은 작동 전압 및 속도 성능이 향상되었지만 실제 비용량이 낮고 사이클 가역성이 떨어지는 등 여전히 많은 문제가 있습니다. 결함.
불화물: 상대적으로 저렴한 재료, 실용적이지 않음
전이금속 불화물은 산화물과 유사한 환원전위가 높고 전이금속 이온의 원자가 전환을 통해 나트륨 이온의 인터칼레이션 및 디인터칼레이션을 할 수 있어 잠재적인 양극재이기도 하다. 이 유형의 재료의 가장 큰 문제는 저항이 너무 높아 속도 성능에 심각한 영향을 미치고 실제 비용량이 일반적으로 낮다는 것입니다. 지금까지 더 큰 비용량을 갖는 불화물 물질은 일반적으로 NaFeF3(실제 128mAh/g, 이론상 197mAh/g)로 대표되는 철계 불화물이다. 또한 Fe2F5 H2O(초기 251mAh/g)와 같은 일부 수화된 불화철 재료는 비용량이 높지만 사이클 성능은 여전히 좋지 않습니다.
유기화합물 : 광물자원에 의존하지 않고 아직 연구단계
풍부한 공액계와 고독한 전자쌍을 가진 특정 유기 화합물은 가역적인 산화환원 반응을 겪을 수 있으므로 음극 물질을 개발하는 데 사용할 수도 있습니다. 이러한 유형의 재료의 장점은 전이 금속 자원에 의존할 필요가 없고 구조와 특성이 설계 및 제어하기 쉽기 때문에 특정 잠재력이 있다는 것입니다. 그러나 이 단계에는 여전히 심각한 결함이 있습니다. 전도성이 일반적으로 낮고 용해되기 쉽습니다. 현재, 공액계 전도성 고분자(변성 폴리아닐린, 폴리피롤 등), 공액 카르보닐 화합물(페네이트 나트륨의 방향족 유도체, 카르복실산 나트륨 등) 등이 주로 있다.
(2) 음극재: 탄소계 물질이 가장 성숙되어 산업화를 주도할 것으로 예상됨
음극재는 충전시 환원반응, 방전시 산화반응을 일으키며 일반적으로 환원전위가 낮다. 이상적인 양극 물질은 낮은 환원 전위(그러나 금속 나트륨의 증착 전위보다 높아야 함), 큰 가역 용량, 안정적인 사이클 성능, 높은 전자 및 이온 전도성, 안정적인 구조 및 공기를 두려워하지 않는 높은 안전성의 요구 사항을 충족해야 합니다. , 그리고 저렴한 가격. 나트륨 이온 배터리의 경우 음극 물질은 나트륨 이온의 로딩 및 방출에 중요한 역할을 하며, 이는 속도 성능, 전력 밀도 등과 같은 배터리의 전반적인 동적 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 현재 나트륨의 음극 물질은 이온 배터리는 주로 탄소 기반 재료, 티타늄 기반 재료, 합금 재료, 유기 화합물 및 기타 시스템의 다섯 가지 유형으로 나뉩니다. 그 중 탄소계 소재는 기술 성숙도가 가장 높고 자원이 풍부하여 산업화 실현에 앞장설 것으로 기대된다. 변화.
탄소계 소재: 연질탄소와 경질탄소 각각의 장점이 있으며 흑연 음극은 아직 연구중
탄소계 음극재는 탄소원자의 미세구조에 따라 흑연계 재료, 비정질 탄소재료, 나노카본재료로 나뉜다. 다른 알칼리 금속 이온과 달리 탄산염 용매에서 나트륨 이온이 흑연 층 사이에 효과적으로 삽입되기 어려운 것은 주로 나트륨 이온-흑연 삽입 반응의 ΔG>0 때문입니다. 따라서 리튬 이온 전지에 널리 사용되는 흑연 음극은 탄산염을 용매로 하는 나트륨 이온 전지에 사용하기 어렵다. 실제로 에테르 용매에서 흑연도 나트륨 이온을 효과적으로 삽입 및 제거 할 수 있지만 전해질의 안정성이 약화되고 양극과 반응하기 쉽기 때문에 추가 연구가 필요합니다. 비정질 탄소재료는 나트륨 비저장용량이 높고 현재 산업화에 가장 근접한 음극재이기도 하다. 열처리 흑연화의 난이도에 따라 소프트카본과 하드카본으로 나뉩니다. 연질 탄소는 2800 °C 이상의 온도에서 완전히 흑연화될 수 있으며 하드 탄소도 고온에서 흑연화하기 어렵습니다. 연질 탄소와 경질 탄소의 차이점은 미세 구조에서 탄소 층의 가교 상호 작용에 있으며, 이는 사용된 탄화 전구체의 구조와 모양에 근본적으로 의존합니다. 일반적으로 열가소성 전구체(석유화학 원료 및 부산물)는 소프트 카본을 형성하는 반면 열경화성 전구체(바이오매스, 수지 폴리머 등)는 하드 카본을 형성하는 경향이 있습니다. 상대적으로 말하면, 연질 탄소의 제조 비용이 낮고 공정 제어가 쉽지만 비 용량은 경질 탄소만큼 좋지 않습니다. 경질 탄소의 비용량은 더 높지만 첫 번째 사이클의 효율은 종종 더 낮고 성능은 사용된 전구체와 처리에 따라 다릅니다. 공정에서 탄소 수율이 낮습니다. 경질 탄소 재료의 나트륨 저장 메커니즘이 아직 완전히 이해되지 않았으며 여전히 개선의 여지가 많다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 탄소나노물질은 주로 그래핀(graphene)과 탄소나노튜브(carbon nanotube)로 구성되며, 나트륨 이온은 주로 표면에 저장되어 흡착에 의해 결함이 생긴다. 이러한 물질의 이론 용량은 크지만 첫 주 쿨롱 효율이 낮고 반응 잠재력이 높으며 가격이 높습니다. 값비싼.
티타늄 기반 소재: 고유한 잠재적 이점, 단기간에 상용화하기 어려움
2가 티타늄의 환원 전위는 일반적으로 낮고 그 화합물은 공기에 안정하며 결정 구조가 다른 티타늄 화합물은 나트륨 저장 전위가 다르기 때문에 음극 재료 개발에 사용됩니다. 현재 티타늄계 재료는 주로 일부 산화티타늄과 다가음이온성 화합물이다. 산화물에는 층상 Na3Ti7O0.6, Na0.6[Cr0.4Ti2]O4 및 스피넬형 Li5Ti12O4(리튬 이온 배터리 음극에도 사용됨) 등이 포함됩니다. 다중음이온성 화합물에는 직교 NaTiOPO2, NaTi4(PO3)4의 NASICON 유형이 포함됩니다. 이러한 재료의 특정 용량은 일반적으로 높지 않지만 많은 고유한 장점이 있습니다. 예를 들어, Li5Ti12O0.6는 변형이 없는 재료이고, Na0.6[Cr0.4Ti2]O2는 양극 및 음극 물질로 모두 작용할 수 있으며, NaTi4(PO3)XNUMX는 수성 나트륨 이온 배터리용으로 사용할 수 있습니다.
합금 재료: 거대한 이론적 비용량, 극복해야 할 기술적 어려움
금속 나트륨은 Sn, Sb, In 및 기타 금속과 합금을 형성할 수 있으며 리튬 이온 배터리의 실리콘 기반 음극과 유사한 나트륨 이온 배터리의 음극으로 사용할 수 있습니다. 이러한 유형의 재료의 장점은 높은 이론 용량과 낮은 반응 전위로, 높은 에너지 밀도와 고전압을 갖는 나트륨 이온 배터리를 제조할 수 있을 것으로 기대됩니다. 그러나 이러한 물질의 반응 속도는 좋지 않으며 나트륨 디인터칼레이션 전후의 부피 변화는 몇 배에 달할 수 있습니다. 큰 응력으로 인해 활물질이 집전체 표면에서 떨어지기 쉽고 비 용량이 급격히 감소합니다.
유기 화합물: 온화한 합성 조건, 아직 연구 단계
유기 양극재의 장점과 단점은 유기 음극재의 장점과 단점과 유사하다. 현재 유형은 주로 카르보닐 화합물, 쉬프 염기 화합물, 유기 라디칼 화합물 및 유기 황화물을 포함하며 아직 실험실 연구 단계에 있습니다.
기타 시스템: 대부분 전이 금속인 V 및 VI 화합물은 아직 연구 단계에 있습니다.
일부 전이금속 산화물, 황화물, 셀렌화물, 질화물 및 인화물도 가역적인 나트륨 저장을 위한 전기화학적 활성을 가지고 있습니다. 이러한 재료는 종종 전환 반응 및 합금 반응을 동반하므로 이론적인 비용량은 해당 합금 양극 재료를 초과할 수 있지만 더 많은 기술적인 문제도 있습니다.
(3) 전해질 재료: 주로 액체 전해질, 형태는 리튬 배터리와 동일
전해질은 양극과 음극 사이의 물질 이동을 위한 다리입니다. 닫힌 루프를 형성하기 위해 이온을 운반하는 데 사용됩니다. 전기화학 반응을 유지하기 위한 중요한 보증입니다. 이는 배터리의 속도, 주기 수명, 자가 방전 및 기타 성능에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 배터리의 안정성과 안전성을 결정합니다. 섹슈얼리티의 핵심 요소 중 하나. 나트륨 이온 배터리의 전해질은 물리적 형태에 따라 액체 전해질과 고체 전해질로 나눌 수 있습니다.
액체 전해질: 리튬 배터리와 유사하게 리튬 염은 나트륨 염이 됩니다.
액체 전해질은 종종 전해질이라고 하며 일반적으로 용매, 용질 및 첨가제로 구성됩니다. 물의 전기화학적 창의 상한선이 2V를 초과하지 않기 때문에, 용매는 일부 극성 비양성자성 유기 용매이며, 이는 다량의 나트륨 염을 용해할 수 있을 뿐만 아니라 양성자 수소를 방출할 수 없고 또한 특정 항- 산화 환원 능력. 점도가 낮습니다. 따라서 유전율이 높고 점도가 높은 탄산염은 유전율이 낮고 점도가 낮은 에테르와 함께 사용하는 것이 일반적이므로 전해질은 인화성이 높습니다. 용질은 주로 반지름이 큰 나트륨염이며, 무기 나트륨염과 유기 나트륨염으로 나뉩니다. 나트륨염 등 일반적으로 유기 나트륨염은 더 안정적이고 무기 나트륨염은 저렴합니다. 현재 산업적 응용이 기대되는 것은 주로 육불화인산나트륨으로 상대적으로 전도도가 가장 높지만 물에 매우 민감하다. 전해질의 첨가제 함량은 5% 미만이며 주로 나트륨염, 에스테르, 니트릴, 에테르 등과 같은 일부 화합물이 SEI 막 및 CEI 막 형성, 과충전 방지 및 화염 형성을 돕는 역할을 합니다. 지연제.
고체 전해질: 고체 나트륨 전기용, 아직 연구 단계
고체 전해질 재료에는 주로 무기 고체 전해질, 고분자 고체 전해질 및 복합 고체 전해질의 세 가지 유형이 있습니다. 가연성 및 폭발성 유기 용제를 피하기 때문에 배터리의 안전성이 크게 향상되었으며 전기 화학적 창을 크게 확장하여 고전위 양극 재료와 금속 나트륨 음극을 사용할 수있게되어 에너지를 크게 향상시킵니다. 전체 배터리의 밀도. . 또한, 양극과 음극 사이의 단단한 고체 전해질 장벽으로 인해 별도의 분리막이 더 이상 필요하지 않으며, 바이폴라 전극 공정을 통해 배터리의 시스템 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이러한 재료는 현재 낮은 실온 전도성 및 높은 인터페이스 임피던스와 같은 문제에 직면해 있으며 산업화에는 시간이 걸릴 것입니다.
1.2.2. 비활성 물질: 격막, 집전체, 도전제, 바인더
나트륨 이온 배터리의 불활성 물질은 주로 격막, 집전체, 도전제, 바인더 등을 포함합니다. 이들은 전기 화학 반응에 직접 참여하지 않지만 필수적인 보조 물질이며 활물질 및 기타 요인과의 호환성은 배터리 성능에 큰 영향을 미칩니다.
(1) 다이어프램: 리튬 이온 배터리 공통
분리기의 기능은 양극과 음극을 물리적으로 분리하여 둘 사이의 직접적인 접촉 및 반응을 피하고 동시에 용매 분자의 침투 및 침투를 보장하여 용매화 나트륨 이온의 빠른 통과를 허용하는 것입니다. 이상적인 분리막 재료는 우수한 전자 절연성 및 이온 전도성, 높은 기계적 강도 및 가능한 한 얇은, 높은 화학적 불활성(전해질과 반응하지 않고 양극 및 음극과 반응하지 않음) 및 양호한 열 안정성 성별을 가져야 합니다. PE, PP, 복합필름 등의 폴리올레핀계 고분자 분리막은 리튬이온 전지에 널리 사용되며, 이러한 분리막 소재는 나트륨 이온 전지 시스템에 직접 이식할 수 있다. 미래에는 전고체 나트륨 이온 배터리 시스템에서 다이어프램 재료가 더 이상 필요하지 않습니다.
(2) 집전체: 양극과 음극 모두 알루미늄 호일로 만들어짐
집전체는 양극 활물질과 음극 활물질이 부착된 베이스 부재로 전지 중량의 약 10~13%를 차지하며, 전극 물질에서 발생하는 전류를 모아 외부로 전도를 방출시키는 역할을 한다. . 집전체는 전극 반응에 참여하지 않지만 전극 재료의 성능에 대한 근본적인 보장이며 순도, 두께, 응력 및 기타 매개 변수는 전극의 실제 작동 성능에 간접적으로 영향을 미칩니다. 집전체로 사용되는 재료는 우수한 전기전도도, 활물질과의 낮은 접촉저항, 높은 화학적 불활성(전해액 및 양극 및 음극과 반응하지 않음), 우수한 가공성 및 안정적인 기계적 물성을 가져야 합니다. 리튬 이온 배터리에서 양극 집전체는 알루미늄 호일이고 음극 집전체는 낮은 전위 조건에서 알루미늄과 리튬의 합금화를 피하기 위해 구리 호일입니다. 나트륨 이온 배터리에서 나트륨과 알루미늄은 합금 반응을 일으키지 않기 때문에 상대적으로 값비싼 동박을 사용하지 않고 양극 및 음극 집전체 모두에 알루미늄박을 사용할 수 있습니다.
(3) 도전제: 리튬 이온 배터리와 동일
전극 재료를 실제로 사용하는 경우, 전극 재료의 자기 분극 감소, 활물질 입자와 집전체 사이의 접촉 저항 감소, 흡착, 흡착의 세 가지 주요 기능을 갖는 도전제를 추가해야 합니다. 전해질 및 전극 침투 개선 효과. 일반적으로 사용되는 도전제는 카본블랙, 흑연분말, 탄소나노튜브, 그래핀 등 비표면적이 크고 전도성이 좋은 탄소재료이다.
(4) 바인더: 리튬 이온 배터리와 동일
바인더의 기능은 전극 재료, 도전제 및 집전체를 결합하여 사용할 수 있는 완전한 폴 피스를 만드는 것입니다. 바인더로 사용되는 재료는 안정성이 좋아야 하고 가공이 쉽고 비용이 저렴해야 합니다. 나트륨 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 바인더는 리튬 이온 배터리와 유사하며 대부분 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 알긴산 나트륨(SA), 폴리아크릴산(PAA), 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 강한 극성 폴리머입니다. , 등.
제조 공정 및 경로: 리튬 배터리와 같은 맥락에서
1.3.1. 전극 재료 합성: 프러시안 블루만 특별합니다.
나트륨 이온 배터리 양극 재료의 합성 방법은 특정 재료 범주에 따라 결정되어야 하며, 주로 고체상 반응 방법과 액체상 합성 방법으로 구분됩니다. 산화물 및 다중음이온 물질은 고체상 반응법 또는 액체상 합성법으로 합성할 수 있습니다. 합성 과정은 기본적으로 리튬 이온 배터리에 해당하는 재료와 동일하므로 생산 라인이 어느 정도 호환될 수 있습니다. 현재 산업계에서 가장 널리 사용되는 방법은 고체상 반응법이다. 이 방법으로 제조된 제품의 균일성은 일정한 한계가 있지만 조작이 간단하고 기술 공정이 짧기 때문에 대량 생산에 적합합니다. 액상 합성법은 제품의 균일도가 높으나 비교적 고가이며 고가의 장비를 필요로 하며 폐수가 많이 발생한다. 또한 졸겔법, 마이크로웨이브 합성법, 분무건조법, 이온교환법 등 일반적으로 비용이 많이 들고 당분간 공업적 생산에 적합하지 않은 기술들이 있다.
1.3.2. 배터리는 그룹으로 조립됩니다. 조립 공정 및 외관 분류는 리튬 이온 배터리와 동일합니다.
리튬 이온 배터리와 마찬가지로 나트륨 이온 배터리의 생산도 펄프화, 코팅, 조립, 액체 주입 및 화학 형성과 같은 공정을 거칩니다. 그 중 조립 공정은 주로 다이어프램 중간층을 통해 완성된 양극판과 음극판을 결합하여 배터리 내부에 나트륨 이온 경로를 만들고 양극과 음극을 분리하여 내부 단락을 방지하는 것입니다. 조립 공정은 리튬 이온 배터리 기술을 따르며 권선 공정과 적층 공정으로 나뉩니다. 전자는 다시 원통형 권선과 사각 권선으로 나뉩니다. 또한 나트륨 이온 배터리 제품의 구조 설계 및 포장 공정은 기본적으로 리튬 이온 배터리를 따르며 외관은 대략 원통형, 소프트 팩 및 사각형 하드 쉘의 세 가지 범주로 구분되며 각각 장단점이 있습니다.
수평 비교: 나트륨 배터리 대 리튬 배터리, 액체 흐름, 납산
나트륨 이온 전지의 산업화가 진행됨에 따라 다른 이차 전지 기술에도 다양한 영향을 미칠 수밖에 없다. 가장 먼저 타격을 받은 것은 리튬 이온 배터리와 시장에서 오랫동안 널리 사용되어 온 플로우 배터리 및 납산 배터리입니다. 이 절에서는 나트륨 이온 배터리와 위의 XNUMX가지 배터리 기술의 수평적 비교를 통해 나트륨 이온 배터리의 미래 경쟁 구도를 간략하게 예측한다.
나트륨 배터리 vs 리튬 배터리: 인산철리튬에 필적하는 성능, 종합적인 가성비 이상
나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리의 보완 및 확장이며 완전한 교체 관계가 아닙니다. 우선, 성능면에서 기존 리튬 이온 배터리 시스템은 완벽하지 않습니다. 삼원 양극 배터리는 에너지 밀도가 높지만 사이클 수명이 열악합니다. 리튬 철 인산염 음극 배터리는 수명이 길지만 에너지 밀도가 낮습니다. 리튬 망간산 양극 배터리 작동 전압은 높지만 에너지 밀도와 사이클 수명이 열악합니다. 또한, 리튬이온 전지는 저온에서 용량 저하가 심하기 때문에 온도 조절 시스템이 필요하며, 이는 전지 시스템 에너지의 5% 이상을 소모하고 제조 비용을 증가시킨다. 대조적으로, 기존 나트륨 이온 배터리 시스템의 에너지 밀도는 리튬 철 인산염의 에너지 밀도에 근접했습니다. 사이클 수명은 인산철리튬만큼 좋지는 않지만 삼원재료 및 망간산리튬보다 훨씬 우수합니다.
둘째, 안전성의 관점에서 나트륨 이온 배터리의 열폭주 초기 온도가 리튬 이온 배터리보다 약간 높기 때문에 셀 수준에서의 안전성이 향상되었지만 두 배터리 모두 고인화성 유기물을 사용해야 합니다. 전해질, 열 폭주 조건에서 폭연의 위험이 있습니다. 현재 진행 중인 세포 천자(cell puncture)와 같은 파괴적인 실험에서 나트륨 이온 배터리의 실제 안전성은 리튬 인산철 배터리의 안전성과 유사할 수 있습니다.
마지막으로 비용 측면에서 나트륨 이온 배터리는 원자재 비용을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 첫째, 활물질(음극, 전해질)의 리튬화합물이 전체적으로 나트륨화합물로 대체되고, 양극의 코발트, 니켈 등 고가의 금속은 철, 망간 등의 값싼 금속이 대부분 대체되고 있다. 둘째, 금속 나트륨은 금속 알루미늄과 함께 형성되지 않습니다. 양극 및 음극 전류 집전체인 공융 합금은 값싼 알루미늄 호일로 만들 수 있으며 원래 리튬 이온 배터리의 더 비싼 구리 음극 집전체를 대체합니다. 셋째, 나트륨 이온의 스톡스 반경이 리튬 이온보다 작기 때문에 전해질의 용질 양을 크게 줄일 수 있습니다. 미래에 나트륨 이온 배터리는 특히 고산 지역에서 리튬 인산철 배터리와 강력한 경쟁 관계를 형성할 가능성이 있습니다. 리튬 이온 배터리는 고에너지 밀도 및 높은 작동 전압 방향으로 계속 발전하고 점차적으로 전고체 배터리 등으로 발전할 것입니다. 신기술 반복.
나트륨 전기 대 액체 흐름: 장점과 단점은 매우 보완적이거나 에너지 저장 시장에서 나란히 서 있습니다.
나트륨 이온 배터리와 플로우 배터리는 상호 보완성이 강하고 전자는 작고 유연한 에너지 저장에 적합하고 후자는 대규모 및 중형 에너지 저장에 적합합니다. 플로우 배터리는 액상(주로 수상계) 전기화학적 에너지 저장장치로, 활성물질이 전해질에 용해되어 있고, 의 산화가 상태를 변화시켜 에너지 저장 및 방출이 실현되는 것을 특징으로 한다. 활성 물질. 대표자는 전체 바나듐 흐름 배터리, 철-크롬 흐름 배터리 및 아연-브롬 흐름 배터리를 포함합니다. 플로우 배터리의 가장 큰 장점은 수상 시스템의 본질 안전과 초장기 수명으로 특히 중대형 전기화학 에너지 저장 시설에 적합하지만 에너지 밀도가 낮고 작동 온도가 낮다는 단점이 있습니다. 범위가 좁아 소형화하거나 고산지대에 적용하기 어렵다. 이에 반해 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도는 플로우 배터리의 약 40배에 달하며 -XNUMX°C의 낮은 온도에서도 견딜 수 있지만 본질 안전과 사이클 수명은 플로우 배터리만큼 좋지 않다. 앞으로 나트륨 이온 배터리와 플로우 배터리는 에너지 저장 분야에서 서로 보완할 것으로 기대된다. 예를 들어, 가정용 및 이동식 소형 에너지 저장 장치는 에너지 밀도에 대한 요구 사항이 더 높고 나트륨 이온 배터리 사용에 적합합니다. 대형 및 중형 전기화학 에너지 저장 발전소는 안전 요구 사항이 더 높고 플로우 배터리 사용에 적합합니다.
나트륨 배터리 대 납산: 기존 납산을 점진적으로 교체하여 후자를 반복적으로 업그레이드해야 함
나트륨 이온 배터리는 기존의 납산 배터리를 점차적으로 대체하여 납-탄소 배터리와 같은 새로운 기술의 개발을 강요할 것으로 예상됩니다. 납축전지의 산업적 응용은 3,000세기 반이 넘었으며 "생산-소비-재활용"의 산업적 폐쇄 루프는 매우 완성도가 높습니다. 장점은 저렴한 비용, 쉬운 재활용 및 우수한 안전성입니다. 단점은 낮은 에너지 밀도, 짧은 사이클 수명, 충전 시간이 오래 걸립니다. 현재 납산 배터리는 계속해서 개발되고 업그레이드되고 있습니다. 가장 대표적인 것이 슈퍼커패시터 기술을 접목한 '납-탄소 배터리'다. 사이클 수명이 XNUMX회에 달하고 급속 충전이 가능하며 기존 납축전지의 특성을 유지합니다. 안전 및 기타 장점이 있지만 에너지 밀도가 더욱 감소하고 그에 따라 제조 비용도 증가합니다. 대조적으로, 나트륨 이온 배터리의 대부분의 성능은 기존 납산 배터리의 성능보다 우수합니다. 향후에는 비용이 더욱 절감됨에 따라 기존의 납축전지를 점차적으로 대체할 것으로 예상된다. 동시에 나트륨 이온 배터리의 부상은 전통적인 납축전지에서 납탄소 배터리로의 업그레이드 및 반복 프로세스를 간접적으로 가속화할 수 있습니다. 앞으로 납축전지는 역사적 단계에서 완전히 철수하기보다는 납탄소전지의 형태로 다시 태어날 가능성이 있다. (보고서 출처: 보고서연구소)
나트륨 배터리 산업 현황
현재 전 세계적으로 나트륨 이온 배터리 산업에 참여하는 회사는 거의 30개에 달합니다. 기술 루트의 장단점은 아직 결정적이지 않고 통일된 표준이 없기 때문에 다른 기업의 경쟁은 본질적으로 다른 기술 루트의 경쟁입니다. 나트륨 이온 배터리의 연구 역사는 반세기 동안 지속되지만 전극 재료 연구 및 개발의 중요한 돌파구 덕분에 지난 3 년 동안 진정한 급속한 발전이 이루어졌습니다. 우리는 업계가 향후 XNUMX년 동안 여전히 도입기에서 성장기로의 전환 단계에 있다고 믿습니다.
산업 구조: 리튬 이온 배터리와 유사
나트륨 이온 배터리 산업 체인은 업스트림, 미드스트림 및 다운스트림을 포함하여 리튬 이온 배터리와 유사합니다. 업스트림: 원료 공급 및 전극 재료 합성, 주요 원료로는 소다회, 알루미늄 호일, 망간 광석 등을 비롯한 각종 보조 재료, 기초 화학, 비철금속 및 기타 산업이 포함됩니다. 미드스트림: 다양한 소모품 및 전자 부품을 포함하는 셀 패키징, 배터리 시스템 구축 및 통합 등. 다운스트림: 주로 에너지 저장 및 저속 전기 자동차를 포함한 최종 사용 시장.
주요 기업: 전 세계에 20개 이상의 기업이 있으며 중국 기업이 지배적
2010년 이후 국내외 나트륨 이온 배터리 관련 기업이 설립(또는 진출)했다. 현재 전 세계적으로 20개 이상의 관련 기업이 있으며 주로 중국, 미국, 유럽, 일본에 위치하고 있다. 대부분이 스타트업 기업이다. 기술 연구 개발 및 전략적 레이아웃이 주요이며 아직 규모가 형성되지 않았습니다.
3.2.1. 국내 : Zhongke Haina가 많이 축적되었으며 Ningde 시대가 주도했습니다.
우리나라의 나트륨이온전지 연구와 산업화는 세계를 선도하고 있습니다. 국내 나트륨 이온 배터리 기업은 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 Zhongke Haina로 대표되는 과학 연구 기관의 자체 개발 기술로 만든 창업 기업입니다. 다른 하나는 성숙한 리튬 이온 배터리 회사가 Ningde 시대로 대표되는 경쟁에 참여하기 위해 나트륨 이온 배터리 트랙에 진입했습니다.
2017년에 설립된 Zhongke Haina는 나트륨 이온 배터리의 개발 및 제조에 중점을 둔 중국 최초의 하이테크 기업입니다. 그것은 중국 과학 아카데미 물리학 연구소에 의해 배양되었으며 학자 Chen Liquan과 연구원 Hu Yongsheng이 이끄는 R&D 팀이 있습니다. 는 나트륨 이온 배터리의 모든 분야에서 핵심 특허 기술을 보유한 몇 안 되는 배터리 회사 중 하나이며 다수의 실증 프로젝트를 시작했으며 최초의 1GWh 규모 생산 라인 건설을 시작했습니다. Zhongke Haina는 중국 과학원 물리학 연구소에서 창업한 기술 기업으로서 강력한 혁신 능력을 보유하고 있으며 활성 물질의 기초 연구 및 개발에서 대량 생산, 재료에서 배터리, 단일 셀에서 배터리에 이르기까지 모든 분야를 마스터했습니다. 모듈 및 배터리 구성 요소에서 응용 프로그램에 이르기까지. 기술.
2017년에 설립된 Ben'an Energy는 주로 수계용 나트륨 이온 배터리의 연구 개발 및 생산에 종사하는 첨단 다국적 기업입니다. 이 회사는 싱가포르, 중국 및 미국에 글로벌 R&D 센터를 두고 수성 나트륨 이온 배터리의 재료, 셀 및 구조에 대한 연구 및 개발을 수행합니다. 중국, 미국, 호주의 지역 기업이 배터리 소재 제조 및 지역 시장 사업을 담당하고 있습니다. 이 회사는 고정식 에너지 저장의 응용 분야에 중점을 둡니다. 제품은 높은 본질 안전, 환경 보호 및 무독성의 특성을 가지고 있습니다. 인구 밀도가 높은 도시 지역의 에너지 저장 발전소에 특히 적합하며 실내 환경 레이아웃에도 적합합니다. 그들은 또한 장기간의 부동 작업에 적합합니다. , 산업 백업 전원 시스템에서 널리 사용될 수 있습니다.
3.2.2. 해외: 대부분이 스타트업으로 규모가 작고 미래 지향적입니다.
외국 나트륨 이온 배터리 기업은 주로 유럽, 미국, 일본과 같은 선진국에 위치하고 있습니다. 다양한 재료 시스템과 기술 경로는 회사에서 채택합니다. 이들 기업의 대부분은 상대적으로 설립 기간이 짧고 생산 규모가 제한되어 있지만 기술은 매우 미래 지향적입니다.
영국 회사인 Faradion은 주로 층상 산화물 음극을 추진합니다. 2011년에 설립된 이 회사는 세계 최초의 나트륨 이온 배터리 상용화 기업으로 현재 배터리 소재, 배터리 인프라, 배터리 안전 및 운송 등을 포괄하는 31개의 나트륨 이온 배터리 특허를 보유하고 있습니다. 회사는 제품 비용과 에너지 밀도를 매우 강조합니다. , 납산 가격으로 리튬 이온 성능을 제공하는 것이 궁극적인 목표입니다. 2021년 말 이 회사는 인도의 Reliance New Energy Solar Limited(RNESL)에 100억 파운드에 인수되었으며 나트륨 이온 배터리의 상업적 출시를 가속화하기 위한 성장 자본으로 25만 파운드를 투자할 예정입니다.
미국의 Natron Energy 회사는 주로 수계의 나트륨 이온 배터리를 추진합니다. 2012년에 설립된 이 회사는 주로 프러시안 블루 양극재를 홍보하는 수성 나트륨 이온 배터리를 개발 및 생산하는 기업입니다. 회사는 나트륨 이온 배터리의 안전성을 매우 중요하게 생각하며 유기 용매 전해질을 사용하지 않습니다. 제품은 매우 안전하며 수명이 길다. 전력 밀도는 리튬 이온 배터리보다 약간 낮지만 에너지 밀도는 주로 정전기에 대해 납 배터리와 비슷합니다. 에너지 저장 애플리케이션(데이터 센터, 지게차 및 전기 자동차용 고속 충전소). 현재 나트륨 이온 배터리는 캘리포니아 산타클라라에서 시범 생산 라인을 가동하면서 초기에 상용화됐다. 다음 목표는 생산을 확대하고 나트륨 이온 배터리 산업 체인을 형성하는 것입니다.
미래 발전: 자원 부존과 나트륨 전력의 비교우위를 충분히 발휘
현재 문제: 열악한 재료, 높은 비용, 불확실한 표준
4.1.1. 재료 연구 진행: 하드 카본 메커니즘, 성능 향상, 안전성 평가
현재 학계에서 경질탄소의 나트륨 저장 메커니즘에 대해 많은 논란이 있고, 완전히 해명되지 않은 상태이다. 낮은 XNUMX차 사이클 효율과 같은 기존 경질탄소 음극의 단점을 개선하기 위해서는 나트륨 저장의 동역학적 메커니즘을 깊이 이해하고 기술 연구 개발을 위한 가장 기본적인 이론적 지침을 제공해야 합니다. 기존 나트륨이온전지의 물성 개선 여지는 여전히 많다. 일반적으로 현재 나트륨 이온 배터리의 에너지 밀도는 이론값과 거리가 멀고 사이클 성능도 더욱 개선되어야 합니다. 한편, 활물질의 지속적인 개선이 필요하다. 한편, 전체적인 시스템 설계와 통합 관리도 고려해야 한다. 나트륨 이온 배터리의 실제 작동 안전성은 신중한 평가가 필요합니다. 현재 나트륨 이온 배터리의 안전성 테스트 실험은 셀 수준입니다. 그 결과 안전성은 높지만 실제 운전 후 안전성을 시급히 관찰해야 하며 맹목적으로 낙관하는 것은 바람직하지 않음을 보여준다. 특히, 프러시안 블루 양극은 열폭주 시 시안화수소산 및 시안화물과 같은 독성이 강한 가스를 방출합니다.
4.1.2. 비용 우위는 여전히 실현되어야 합니다. 기술 R&D와 규모의 경제는 필수 불가결합니다.
나트륨이온전지의 원가절감은 지속적인 기술반복을 통한 변동비의 절감과 양산을 통한 고정비의 희석에 달려있다. 이론적으로 나트륨 이온 배터리는 재료 비용면에서 유리하지만 현재 제품의 실제 총 비용은 1 위안/Wh 이상으로 인산철 리튬보다 높습니다. 스케일 효과. 한편, 전극 재료의 유형과 제조 공정이 표준화되지 않았으며 전구체도 안정적이고 신뢰할 수 있는 공급망이 부족하여 전극 재료의 수율 및 일관성이 낮고 실제 비용이 높습니다. 기술 탐사 개선. 한편, 생산장비의 가격이 비싸고 감가상각비가 커서 제조원가의 약 20~30%를 차지하며 양산으로만 희석할 수 있다.
4.1.3. 기술 표준 제정: 시장 질서 표준화 및 건전한 발전 촉진
나트륨 이온 배터리 산업은 기업의 생산 활동을 규제하고 산업의 건전하고 질서 있는 발전을 촉진하기 위해 과학적인 통일된 표준을 수립해야 합니다. 이 단계에서 나트륨 이온 배터리의 연구 개발과 생산에 종사하는 제조업체의 기술 경로가 다르며 어느 것이 더 나은지에 대한 큰 논란이 있습니다. 현재 제조업체는 주로 리튬 이온 배터리를 참조하고 나트륨 이온 배터리의 특성과 산업 발전을 결합하여 해당 회사에 적합한 표준 또는 제품 사양을 공식화하고 제품 설계 및 제조 프로세스를 안내하여 제품 수율을 보장합니다. 그리고 일관성. 결과적으로, 다른 기업의 제품 성능과 기술 수준이 고르지 않습니다. 산업 기술 표준의 통일된 공식화는 산업을 선도하는 데 더 나은 역할을 할 수 있으며 규모의 경제를 달성하는 데 필요한 보장입니다. 특히, 안전 표준은 제품 품질을 제한하는 중요한 기반이며 시장 질서를 규제하고 산업의 건강하고 지속 가능한 발전을 촉진하는 중요한 수단입니다.
기술 전망: 향상된 안전성 및 높은 비에너지
4.2.1. 수성 나트륨 이온 배터리: 본질 안전 나트륨 이온 배터리
유기 전해질을 수성 전해질로 대체하면 나트륨 이온 배터리의 안전성을 근본적으로 향상시킬 수 있습니다. 현재의 나트륨이온전지는 리튬이온전지의 유기전해질 방식을 이어가고 있어 근본적으로 폭연의 위험을 피할 수는 없다. 수용액으로 대체하면 안전성이 크게 향상될 뿐만 아니라 생산 공정을 단순화하면서 생산 공정을 단축할 수 있습니다. 환경 오염. 현재 많은 수성 나트륨 이온 배터리 시스템 솔루션이 보고되었으며 그 중 프러시안 블루 시스템이 최고의 사이클 성능을 보이며 산업화 시도가 시작되었습니다. 대표적인 기업으로는 나트론에너지(Natron Energy)와 베난에너지(Ben'an Energy)가 있다. 장기적으로 수성 나트륨 이온 배터리는 특히 에너지 저장 분야에서 매우 유망한 방향입니다.
4.2.2. 고체 나트륨 이온 배터리: 고에너지 밀도 나트륨 이온 배터리
액체 유기 전해질을 고체 전해질 재료로 대체하면 고체 상태의 나트륨 이온 배터리를 생산할 수 있습니다. 가연성 및 폭발성 유기 용매의 회피로 인해 배터리의 안전성이 크게 향상되었으며 전기 화학적 창이 크게 확장되어 고전위 양극 재료 및 금속 나트륨 음극을 사용할 수 있으므로 에너지가 크게 향상됩니다. 전체 배터리의 밀도. . 또한 양극과 음극 사이의 단단한 고체 전해질 장벽으로 인해 더 이상 별도의 분리막을 설정할 필요가 없으며 양극성 전극 공정으로 배터리의 시스템 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이러한 재료는 현재 낮은 실온 전도성 및 높은 인터페이스 임피던스와 같은 문제에 직면해 있으며 산업화에는 시간이 걸릴 것입니다.
4.2.3. 다중 게스트 공동 삽입 양극: 범용 양극인 흑연
흑연 양극은 또한 "다중 게스트 공동 삽입 반응"에서 복합 나트륨 이온의 효과적인 삽입 및 분리를 달성할 수 있습니다. 나트륨 이온-흑연 인터칼레이션 반응의 ΔG>0 때문에 탄산염 용매에서 나트륨 이온이 흑연 층 사이에 효과적으로 인터칼레이션되기 어려워 흑연 음극을 사용하기 어렵다. 사실, 에테르 용매에서 나트륨 이온은 에테르 산소 원자와 배위 결합을 형성하며, 이는 배위 이온의 형태로 흑연 층 사이에 함께 삽입될 수 있습니다. 이 "다중 게스트 공동 삽입 반응"은 중요한 계몽적 의미를 갖습니다. 한편, 이것은 흑연 음극을 나트륨 이온 배터리의 음극으로도 사용할 수 있음을 의미하므로 리튬 이온 배터리와 재료 생산 라인을 공유하여 대규모 비용 절감에 도움이 됩니다. 다른 한편으로, 이것은 차세대 다중 충전 이온 배터리를 설계할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 그러나 에테르 전해질은 안정성이 약하고 양극과 반응하기 쉬우므로 심도 있는 연구가 필요하다.
