나트륨이온은 2차전지에서 리튬이온을 대체할 소재로 전 세계적으로 주목받고 있다. 이 간단한 염화나트륨 및 물 배터리 실험에서 볼 수 있듯이 나트륨 이온은 탁월한 전하 캐리어입니다.
배터리 업계의 글로벌 리더들은 녹색 산업 에너지의 미래 중추로서 나트륨 이온 배터리에 큰 투자를 하고 있습니다. 전세계를 찾아보면 나트륨 이온 배터리 제조업체 상위 10개, 리튬 이온 배터리의 가장 큰 제조업체도 포함되어 있음을 알 수 있습니다.
나트륨 이온 배터리와 리튬 이온 배터리의 화학적 성질은 유사하므로 제조업체는 나트륨 이온 배터리의 신속한 개발을 위해 입증된 리튬 이온 노하우와 생산 장비를 활용하고 있습니다. 좋은 예는 다음 중 하나인 중국의 Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.(CATL)입니다. top10 리튬 이온 배터리 중국의 제조업체. CATL이 출시한 에너지밀도 160Wh/kg의 XNUMX세대 나트륨이온 배터리.
나트륨 이온 배터리는 동급의 리튬 이온 배터리보다 부피가 크기 때문에 현재 전기 자동차에는 적합하지 않습니다. 따라서 제조업체는 크기가 중요하지 않지만 비용, 성능 및 안전한 공급망이 주요 고려 사항인 에너지 저장 시장을 목표로 삼고 있습니다. 과학자들은 그렇다고 믿는다. 나트륨 이온 배터리는 재생 에너지 저장 문제에 대한 해답입니다.
앞으로는 나트륨이온 배터리가 더욱 가볍고 강력해질 것으로 기대됩니다. 이는 이들 배터리가 전기차 시장에서 매력적이 될 것임을 의미한다. 하지만 최근 전기차 시장이 활황을 누리지 못하고 있다는 사실을 아셨을 겁니다. 전 세계적으로 전기 자동차 시장은 높은 비용, 충전 인프라 부족, 많은 경우 재정 인센티브 철회로 인해 흔들리고 있습니다. 더 나아가, 운송 부문에서는 리튬 이온 배터리가 수소 연료 전지로 대체될 수 있습니다.. 리튬 이온은 소형 전자 장비에만 국한되어 있으므로 나트륨 이온 기술은 장기적으로 발전할 수 있습니다.
나트륨 이온 배터리 란 무엇입니까?
나트륨 이온 배터리는 나트륨 이온을 사용하여 배터리 내에서 전하를 운반하는 충전식 배터리입니다. 각 충전 및 방전 주기 동안 나트륨 이온은 양극과 음극 사이를 왕복하며 내부 셀 전류를 운반합니다.
나트륨 이온 배터리는 어떻게 작동합니까?
당신은 볼 수 있습니다 나트륨 이온 배터리의 기본 원리 그림 1에서. 배터리의 주요 작동 부분은 다음과 같습니다.
- 다공성인 양극 전극 표면에는 이온화 가능한 나트륨 원자가 많이 포함되어 있습니다.
- 다공성 전극이기도 한 음극은 양극에서 나오는 나트륨 이온을 수용하기에 충분한 표면적을 가지고 있습니다.
- 양극과 음극 사이의 물리적 접촉을 방지하지만 나트륨 이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있도록 하는 다공성 분리막입니다.
- 용해된 나트륨염을 함유한 액체 전해질입니다. 그만큼 전해질 전극 사이에 전압 차이가 생성되면 내부 전류를 시작하는 나트륨 이온 저장소 역할을 합니다.
그림 1에서 노란색 공은 양전하를 띤 나트륨 이온을 나타내고 빨간색 공은 중성 나트륨 원자를 나타냅니다. 각각의 중성 나트륨 원자는 전자가 가장 바깥쪽 전자 껍질에서 빠져나올 때 양전하를 띤 이온이 됩니다.
따라서 충전기나 더 큰 배터리를 통해 외부 전압이 가해지면 양극에 부착된 나트륨 원자에서 전자가 빠져 나옵니다. 이 전자는 외부 회로로 흘러들어가 음극에 도달합니다. 음극은 전자의 축적으로 인해 음의 전위를 얻습니다.
동시에, 양극에 있는 나트륨 원자는 각각 하나의 전자를 잃어 양이온이 되어 양극을 떠납니다. 전위차로 인해 전해질을 통해 음극쪽으로 이동합니다. 음극에서 나트륨 양이온은 외부 회로에서 음극에 도달하는 전자에 의해 중화됩니다. 결과적으로 중성 나트륨 원자는 충전 주기의 나머지 부분 동안 음극에 고정됩니다.
외부 부하가 연결되고 배터리가 방전되면 음극에 저장된 나트륨 이온의 역방향 이동이 시작됩니다. 나트륨 이온은 전해질을 통해 양극으로 다시 이동하는 반면, 음극의 전자는 외부 부하를 통해 양극으로 이동합니다. 양극에 도달하면 나트륨 이온은 외부 회로에서 들어오는 전자에 의해 중화됩니다. 중성 나트륨 원자는 나머지 방전 주기 동안 양극에 자리잡게 됩니다. 따라서 이러한 유형의 충전식 배터리에 있는 나트륨 이온의 전체 수명은 양극과 음극 사이를 이동하는 데 소비됩니다!
나트륨 이온의 최대 트래픽 밀도는 전해질의 특성과 양극 및 음극 구조에 따라 달라집니다. 이는 배터리 설계에서 에너지 밀도와 전류를 결정하는 중요한 매개변수입니다.
어플리케이션
전문가들은 나트륨 이온 배터리의 이상적인 응용 분야는 다음과 같다고 생각합니다. 재생 에너지 및 산업 부문의 고정식 에너지 저장 애플리케이션. 그만큼 나이마 유럽 연합의 프로젝트는 에너지 저장 부문을 위한 친환경적이고 안전한 나트륨 이온 전지의 두 가지 구성을 개발하는 데 중점을 두고 있습니다.
한편, 자동차 부문에서 세계 최초로 나트륨 이온 배터리의 상업적 배치가 중국에서 이루어졌습니다. ㅏ 중국 JAC와 독일 폭스바겐의 합작회사 25kwh 나트륨 이온 배터리를 장착하고 주행 거리가 250km인 XNUMX인승 승용차를 출시했습니다.
개인용 전자기기에도 나트륨이온전지 도입 검토, 노트북, 휴대폰 등. 리튬 이온 배터리보다 무겁지만 가격이 저렴하고 안전하다는 점은 소비자가 중요하게 고려하는 사항입니다.
나트륨 이온 배터리의 또 다른 응용 분야는 다음과 같은 백업 전원 시스템입니다. Natron Energy의 UPS .
나트륨 이온 배터리가 게임을 어떻게 변화시키는가:
나트륨 이온 배터리는 2차 전지 시장에 많은 이점을 가져올 것입니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
높은 안전성
리튬 이온 배터리에 비해 나트륨 이온 배터리는 화재가 발생할 가능성이 적습니다. 미래 세대의 나트륨 이온은 이러한 위험이 전혀 없는 고체 전해질을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 호주 연구진, 불연성 고체 고분자 전해질 개발, 나트륨 이온 배터리와 함께 사용됩니다. 나트륨 이온 배터리의 열 위험을 완화하기 위한 다양한 전략도 조사되고 있습니다. 안전성 향상을 위한 소재 선택.
비용 절감
kwh당 나트륨 이온 배터리 비용 리튬이온 배터리에 비해 3분의 1도 안 되는 수준이다. 원자재 가격 때문이다.
공급망 위험 감소
소수의 국가에서만 채굴되고 정제되는 리튬과 달리 나트륨은 전 세계 어디에서나 쉽게 구할 수 있습니다. 이는 원자재 공급망 위험을 크게 줄여줍니다.
나트륨 이온 배터리와 리튬 이온 배터리
소비자로서, 혹은 투자자로서 둘 중 하나를 선택해야 한다면 어느 쪽으로 가겠습니까? 소비자로서 즉각적인 이점과 성과 특성을 살펴보는 반면, 투자자로서 더 크고 장기적인 문제를 살펴보게 됩니다.
소비자 및 투자자와 관련된 몇 가지 주요 매개변수를 통해 두 가지 유형의 배터리를 비교해 보겠습니다.
| 매개 변수 | 리튬 이온 배터리 | 나트륨 이온 배터리 |
| 기술 및 공급망의 성숙도 | 기술이 성숙해졌고, 글로벌 공급망이 확립되었습니다. | 1세대 기술이 상용화되었습니다. 제한된 공급망. |
| 비용 | ~ $130 -$180/kwh | ~ $40-$55/kwh |
| 안전 | 제어되지 않은 열 생산으로 인해 셀 재료에 불이 붙기 때문에 열 폭주 위험이 높습니다. | 나트륨 이온 배터리에는 열폭주 위험이 존재합니다.그러나 향후 셀 재료 선택 및 설계를 통해 제거될 수 있습니다. |
| 에너지 밀도 | 150~250Wh/kg | 100-160Wh / kg |
| 전압 | 3.0~4.5V | 2.8~3.5V |
| 무료로 보관 | 권장되지 않음, 배터리 수명이 단축됨 | 허용됩니다. 배터리 수명에 영향을 미치지 않습니다. |
| 공급망 위험 | 높음. 리튬 공급으로 인해 일부 국가에 정유가 집중되어 있음. | 나트륨은 풍부하게 존재하고 정제가 쉽기 때문에 위험이 낮습니다. |
나트륨 이온 배터리의 현재와 미래
나트륨이온전지는 에너지 탈탄소화에 대한 전 세계의 관심이 쏠리는 시점에 출시됐다. 1세대 나트륨 이온 배터리는 특히 비용 및 안전성 측면에서 리튬 이온에 비해 여러 가지 장점을 이미 입증했습니다.
그러나 이러한 재충전 가능한 배터리에 대한 현재 수요는 리튬 배터리가 시장을 지배하고 있는 전기 자동차 및 개인용 전자 장치에 의해 주도되고 있습니다. 전력 밀도가 낮고 무게가 더 무거워서 나트륨 이온이 1세대 배터리를 사용하는 경우 경쟁하기 어려울 것입니다. 따라서 나트륨 이온 배터리의 출력 밀도를 향상시키기 위해 많은 연구 개발 노력이 진행되고 있습니다. 실제로 돌파구가 가까웠을 수도 있습니다. CATL은 차세대 나트륨 이온 배터리가 200kwh/kg을 달성할 것이라고 발표했습니다.. 경쟁력 있는 비용으로 에너지 밀도를 향상시키는 것은 모든 유형의 배터리에 있어 끝없는 과제가 될 것입니다. 예를 들어 CATL은 미래형 리튬 기반 배터리 개발을 통해 다시 한 번 속도를 높이고 있습니다. 500kwh/kg 응축물질 배터리.
중기적으로는 전 세계 국가의 재생에너지 투자 증가로 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 증가할 것입니다. 나트륨 이온 배터리 제조업체는 일단 출시되면 이를 최선의 선택으로 보고 있습니다.
에너지 및 전력 밀도 외에도 나트륨 이온 배터리 기술은 리튬 이온 기술과의 격차를 줄이기 위해 계속 발전하고 있습니다. 과학자들은 재료 분해와 관련된 문제를 해결하고 더 저렴하고 우수한 양극, 음극 및 전해질을 개발하고 안전성과 재활용 능력을 향상시키고 있습니다.
나트륨이온 배터리 공급망도 확대해야 하며, 이를 위해서는 필요한 투자가 이루어져야 합니다.
결론적으로, 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리에 대한 심각한 경쟁자로 등장했습니다. 그러나 나트륨 이온 배터리가 에너지의 미래를 대표한다고 말할 수 있으려면 수년 간의 개발과 상업적 성공이 필요합니다.
