Introdução técnica: bateria de íon de sódio do passado e do presente
Conceitos básicos e antecedentes históricos: o “irmão gêmeo” das baterias de lítio
Nos últimos anos, o desenvolvimento de energia limpa tornou-se o consenso da maioria dos países do mundo. meu país até apresentou o grande objetivo de “pico de carbono e neutralidade de carbono”. Tecnologias de geração de energia de energia limpa, como energia solar, energia eólica e energia das marés, foram desenvolvidas rapidamente. Tem as características de dependência geográfica intermitente, aleatória e forte. A fim de resolver as limitações de tempo e espaço da nova geração de energia e melhorar a taxa de utilização da nova energia, a importância da tecnologia de armazenamento de energia tornou-se cada vez mais proeminente. De acordo com os métodos de conversão e armazenamento de energia elétrica, as tecnologias de armazenamento de energia são divididas em armazenamento físico de energia, armazenamento de energia química e armazenamento de energia eletroquímica. Entre eles, o armazenamento de energia eletroquímica inclui tecnologia de baterias secundárias e supercapacitores, que possuem características de alta eficiência de conversão de energia e rápida velocidade de resposta. Especialmente a tecnologia de bateria secundária também tem as vantagens de alta densidade de energia e fácil modularização.
A bateria secundária, também conhecida como bateria recarregável ou acumulador, é um dispositivo que utiliza reações químicas reversíveis e pode ser carregada e descarregada repetidamente para converter energia elétrica e energia química uma na outra para obter o armazenamento de energia. A capacidade de uma bateria secundária armazenar energia é expressa pela densidade de energia (também chamada de energia específica), ou seja, a energia total que pode ser produzida pela bateria por unidade de massa ou volume, que é o produto da capacidade específica tensão média de descarga. A capacidade específica é teoricamente determinada pela massa molar das substâncias que participam da reação do eletrodo e o número de elétrons ganhos e perdidos. Portanto, quanto maior a relação carga-massa do portador de carga, maior a capacidade teórica específica da bateria. Teoricamente, a tensão de descarga é determinada principalmente pela diferença de potencial e resistência interna dos materiais positivos e negativos. Portanto, quanto maior o potencial do eletrodo positivo, menor o potencial do eletrodo negativo, e quanto menor a resistência interna da bateria, maior a tensão de descarga. Em segundo lugar, o portador de carga deve ter boa capacidade de transporte e atividade cinética, o que afeta diretamente a capacidade de taxa e a densidade de potência da bateria. Finalmente, fatores como a reversibilidade das reações do eletrodo e reações laterais determinam o desempenho do ciclo e a vida útil das baterias secundárias. Os metais alcalinos representados pelo lítio têm o menor potencial redox do eletrodo, grande relação carga-massa do íon e baixa energia de dessolvatação, de modo que foram testados como materiais anódicos para baterias secundárias já na década de 1960. As primeiras baterias de íons de lítio usavam lítio metálico ou liga de lítio como eletrodo negativo e haletos de metais de transição (como AgCl, CuCl, NiF2, etc.) e o volume de carga e descarga muda drasticamente, e é difícil de resolver. No final da década de 1960, descobriu-se que compostos de metal de transição-calcogeneto representados por TiS2 têm capacidade de intercalação e desintercalação entre camadas, que podem ser usados como materiais catódicos para baterias de íons de lítio, e têm alta condutividade elétrica e reatividade eletroquímica. 2.2 V, com valor prático. No entanto, a alta atividade do metal lítio torna frequente o acidente com a bateria, obrigando as pessoas a utilizar compostos de intercalação de lítio (como o grafite de intercalação de lítio) como eletrodo negativo. Este é o conceito de “bateria da cadeira de balanço”: usando compostos de baixo potencial de intercalação como eletrodos negativos, alto O composto de potencial de intercalação atua como eletrodo positivo, evitando o problema dos dendritos de metais alcalinos. Como o potencial do eletrodo negativo do composto de intercalação de lítio é maior do que o do metal lítio, a tensão geral e a densidade de energia da bateria são reduzidas, o que força as pessoas a procurarem novos materiais de eletrodos positivos e descobriram sucessivamente eletrodos positivos materiais como cobalto de lítio, manganato de lítio e fosfato de ferro de lítio.
A capacidade de custo e taxa da bateria de íon de sódio tem vantagens sobre a bateria de íon de lítio. O sódio e o lítio estão na mesma família na tabela periódica, têm o mesmo número de elétrons de valência e têm propriedades químicas mais ativas. Como a massa atômica e o raio do sódio são muito maiores que os do lítio, a densidade de energia da bateria de íons de sódio é obviamente difícil de comparar com as baterias de íons de lítio, mas a abundância natural de sódio é abundante. O grau de densidade é mais de mil vezes maior do que o do lítio, e a energia de dessolvatação dos íons de sódio é muito menor do que a dos íons de lítio. A bateria de íon de sódio surgiu na década de 1970 quase ao mesmo tempo que a bateria de íon de lítio, mas o processo de pesquisa das duas é um pouco diferente. A bateria secundária de sódio que apareceu pela primeira vez naquela época era uma bateria de sódio-enxofre, com enxofre elementar e sódio metálico como eletrodos positivos e negativos, condutor iônico rápido de β-alumina como eletrólito sólido e a temperatura de trabalho era de 300 ~ 350 ° C. Esta bateria de sódio-enxofre de alta temperatura tem uma alta densidade de energia (150~240Wh/kg) e um ciclo de vida de 2500 vezes, enquanto a bateria de lítio-enxofre tem um ciclo de vida de menos de 10 vezes. A fim de melhorar a segurança das baterias secundárias de sódio, foram desenvolvidas baterias de íons de sódio à temperatura ambiente, usando uma ideia semelhante às baterias de íons de lítio, o material do cátodo passou por sulfeto de metal de transição em camadas (TiS2) para óxido em camadas (NaxCoO2)) e fosfato (Na3M2(PO4)3, M é um metal de transição). Mas no final da década de 1980, a pesquisa sobre a bateria de íons de sódio estava fria e as pesquisas relacionadas quase pararam. Há três razões para isso: primeiro, é difícil encontrar um material anódico adequado (grafite que pode armazenar lítio eficientemente em solventes éster é difícil armazenar sódio); segundo, as condições de pesquisa são limitadas (o teor de água e oxigênio do sistema é alto e é difícil usar o metal O sódio foi usado como eletrodo de referência para experimentos de avaliação de materiais); terceiro, as baterias de íon-lítio saíram por cima (um grande número de pesquisadores ancoraram a direção nas baterias de íon-lítio).
Até o século 21, a bateria de íons de sódio marcou o início de um ponto de virada. Em 2000, descobriu-se que o material de carbono duro obtido pela pirólise da glicose tem uma capacidade específica de armazenamento de sódio de até 300 mA h/g, o que fornece um material anódico crucial para a bateria de íons de sódio. Em 2007, o material catódico poliânion Na2FePO4F foi encontrado, e a taxa de deformação volumétrica desse material foi de apenas 3.7%, quase sem deformação. De 2000 a 2010, a velocidade de pesquisa da bateria de íons de sódio foi relativamente lenta, concentrada principalmente em algumas equipes experimentais. A partir de 2010, a pesquisa sobre bateria de íons de sódio entrou na primavera, e novos sistemas de materiais foram surgindo, e eles estão gradualmente tentando se industrializar.
Princípio de funcionamento e materiais: semelhantes às baterias de lítio
O princípio de funcionamento da bateria de íons de sódio é exatamente o mesmo da bateria de íons de lítio, ou seja, sob uma determinada condição de potencial, a dessorção reversível e a intercalação de íons de metais alcalinos convidados no material hospedeiro, no qual o maior potencial de intercalação é utilizado como eletrodo positivo, e o menor potencial de intercalação é usado como eletrodo positivo. O eletrodo negativo, o processo de ciclo de carga e descarga de toda a bateria é o processo de migração direcional de ida e volta de íons de metais alcalinos entre os eletrodos positivos e negativos. A bateria com este mecanismo de trabalho é a “bateria da cadeira de balanço” proposta por M. Armand. A estrutura de composição da bateria de íon de sódio é exatamente a mesma do íon de lítio, incluindo principalmente eletrodo positivo, eletrodo negativo, eletrólito, separador e coletor de corrente. De acordo com a participação direta do hospedeiro no processo de reação eletroquímica, eles podem ser divididos em materiais ativos e materiais inativos.
Materiais ativos: eletrodo positivo, eletrodo negativo, eletrólito
Os materiais ativos da bateria de íons de sódio incluem material de eletrodo positivo, material de eletrodo negativo e material de eletrólito, que participam diretamente da reação eletroquímica e, assim, determinam as características intrínsecas da bateria. Como o raio e a estrutura eletrônica dos íons de sódio são bastante diferentes dos íons de lítio, os comportamentos termodinâmicos e cinéticos das reações são bastante diferentes, de modo que a pesquisa e o desenvolvimento de materiais ativos para baterias de íons de sódio não podem imitar totalmente as baterias de íons de lítio.
(1) Material do cátodo: óxido, azul da Prússia, poliânion três linhas principais
O material do eletrodo positivo sofre uma reação de oxidação durante a carga e uma reação de redução durante a descarga, e geralmente tem um alto potencial de redução. O material catódico ideal deve atender aos requisitos de alto potencial de redução (mas deve ser menor que o potencial de oxidação do eletrólito), grande capacidade reversível, desempenho de ciclo estável, alta condutividade eletrônica e iônica, estrutura estável e sem medo de ar, alta segurança , e preço baixo. Para baterias de íons de sódio, a capacidade específica teórica dos materiais catódicos existentes é relativamente baixa, tornando-se um dos principais determinantes da capacidade geral da bateria. Atualmente, os materiais catódicos das baterias de íons de sódio são divididos principalmente em cinco tipos: óxidos, poliânions, azul da Prússia, fluoretos e compostos orgânicos. Os três primeiros tipos têm a maior maturidade e entraram no estágio inicial da industrialização. .
Óxidos: a tecnologia mais madura, alta capacidade específica e os tipos mais abundantes
Os materiais catódicos à base de óxido são geralmente óxidos de metais de transição, principalmente incluindo óxidos em camadas e óxidos de túnel. A pesquisa sobre óxidos em camadas é a mais antiga e mais extensa. Comparado com baterias de íon-lítio, cátodos de óxido em camadas com apenas três elementos, Mn, Co e Ni, têm atividade eletroquímica reversível. As baterias de íon de sódio têm uma faixa de seleção mais ampla. O quarto ciclo Os metais de transição de Ti para Ni têm alta atividade e seus mecanismos de trabalho são mais complicados, muitas vezes acompanhados por múltiplos comportamentos de transição de fase. A fórmula geral de óxidos em camadas é NaxMO2, onde M é um metal de transição. Os tipos estruturais comuns incluem principalmente o tipo O3 e o tipo P2. O primeiro tem maior capacidade específica, mas baixo desempenho de taxa e ciclo; o último tem melhor desempenho de taxa e ciclo. , mas a capacidade específica real é ligeiramente inferior. Além disso, óxidos em camadas tendem a ser suscetíveis à hidrólise higroscópica no ar. Nesta fase, os óxidos em camadas têm alta densidade de energia e tecnologia de preparação madura, e espera-se que assumam a liderança na industrialização, especialmente os óxidos em camadas do tipo P2 com melhor estabilidade. Os óxidos do tipo túnel têm uma estrutura tridimensional de poros e são frequentemente encontrados em óxidos com baixo teor de sódio. Eles têm excelente desempenho de ciclagem e taxa e são estáveis à água e ao oxigênio, mas sua capacidade específica é muito baixa. No futuro, os óxidos de túnel podem ter vantagens competitivas potenciais na pesquisa e desenvolvimento de cátodos ricos em sódio e baterias aquosas de íons de sódio.
Azul da Prússia: baixo custo de material, alta capacidade específica, altas barreiras técnicas
Os materiais catódicos do azul da Prússia são polímeros de coordenação de cianeto de metal de transição com a fórmula geral AxM1 [M2 (CN)6]1-y·□y·nH2O, onde A é um íon de metal alcalino, M1 e M2 são íons de metal de transição (coordenados a N e C, respectivamente), □ é um defeito de vacância [M2(CN)6]. Devido à estrutura eletrônica única de dupla coordenação de cianeto e ao espaço tridimensional aberto, o material tem as vantagens de estrutura estável, taxa de intercalação e desintercalação rápida e grande capacidade específica. Além disso, os principais metais de transição de tais materiais são principalmente metais baratos, como Fe e Mn, e as matérias-primas são prontamente disponíveis e de baixo custo. No entanto, em aplicações práticas, o teor de água da rede (incluindo água cristalina e água adsorvida) e a densidade de defeitos de vacância do material restringirão seriamente o desempenho da bateria, resultando na redução de sua utilização da capacidade, eficiência energética e vida útil do ciclo. Vale ressaltar que recentemente pesquisadores descobriram que a bateria de íons de sódio usando material catódico azul da Prússia liberará cianeto de hidrogênio e gás cianeto altamente tóxicos sob condições de fuga térmica, e o mecanismo de decomposição térmica está intimamente relacionado à água da rede e aos defeitos de vacância. Intimamente relacionado, pode-se observar que esta tecnologia possui maiores exigências quanto à qualidade do material. Além disso, a preparação desse material envolve cianeto de sódio altamente tóxico, o que exige qualificação especial na produção e no fornecimento.
Poliânions: a melhor segurança, capacidade específica muito baixa, alto custo de material
Os materiais catódicos à base de poliânions referem-se a sais duplos contendo sódio cuja estrutura cristalina é construída por uma série de unidades aniônicas tetraédricas e poliédricas, com a fórmula geral NaxMy(XaOb)zZw. , onde M é um cátion, como metal de transição ou metal alcalino-terroso, X é um elemento altamente eletronegativo, como fósforo ou enxofre, e Z é um ânion, como flúor ou hidróxido. As unidades poliédricas aniônicas deste tipo de material possuem forte ligação covalente, de modo que a estrutura cristalina é muito estável, e sua estabilidade química, estabilidade térmica e estabilidade eletroquímica são altas, por isso tem um bom ciclo de vida e segurança. , e sua plataforma de tensão tende a ser ampla. Em segundo lugar, os elétrons de valência dos íons de metais de transição têm um alto grau de localização, e essa estrutura eletrônica pode facilmente utilizar o efeito indutivo de elementos fortemente eletronegativos para melhorar a tensão de trabalho do material. No entanto, devido à sua característica de banda larga, a condutividade eletrônica intrínseca é muito baixa, o que limita muito sua capacidade de taxa e deve ser modificada pela adição de agentes condutores ou nanoescala. Além disso, a capacidade específica deste material é geralmente baixa. Atualmente, os materiais polianiônicos mais típicos são principalmente fosfatos, representados por NaFePO4 do tipo olivina e Na3V2(PO4)3 do tipo NASICON. A estrutura do NaFePO4 é a mesma do fosfato de ferro-lítio, mas a síntese deve depender de um método complexo de troca iônica e o custo é alto. Na3V2(PO4)3 tem excelente desempenho de taxa e ciclo de vida, mas a capacidade específica é menor do que a de materiais do tipo olivina. Além disso, novos materiais polianiônicos como pirofosfato, sulfato e molibdato também estão em estudo. Esses sistemas melhoraram a tensão de operação e o desempenho da taxa, mas ainda existem muitos problemas, como baixa capacidade específica real e baixa reversibilidade do ciclo. defeito.
Fluoretos: materiais relativamente baratos, difíceis de praticar
Os fluoretos de metais de transição têm altos potenciais de redução semelhantes aos óxidos, e a intercalação e desintercalação de íons de sódio podem ser alcançadas através da conversão de valência de íons de metais de transição, por isso também são materiais catódicos potenciais. O maior problema deste tipo de material é que a resistividade é muito alta, o que afeta seriamente seu desempenho de taxa, e a capacidade específica real é geralmente baixa. Até agora, os materiais fluoretados com maior capacidade específica são fluoretos à base de ferro, tipicamente representados por NaFeF3 (128mAh/g reais, 197mAh/g teóricos). Além disso, alguns materiais hidratados de fluoreto de ferro possuem alta capacidade específica, como Fe2F5 H2O (inicial 251 mAh/g), mas o desempenho do ciclo ainda é ruim.
Compostos orgânicos: não dependentes de recursos minerais, ainda em fase de pesquisa
Certos compostos orgânicos com sistemas conjugados abundantes e pares de elétrons isolados podem sofrer reações redox reversíveis, de modo que também podem ser usados para desenvolver materiais catódicos. As vantagens desse tipo de material são que ele não precisa depender de recursos de metais de transição, e sua estrutura e propriedades são fáceis de projetar e controlar, por isso tem certo potencial. No entanto, ainda existem defeitos significativos nesta fase: a condutividade é geralmente baixa e é propensa à dissolução. Atualmente, existem principalmente polímeros condutores de sistema conjugado (tais como polianilina modificada, polipirrol, etc.), compostos carbonílicos conjugados (tais como derivados aromáticos de fenato de sódio, carboxilato de sódio) e semelhantes.
(2) Materiais anódicos: os materiais à base de carbono são os mais maduros e espera-se que assumam a liderança na industrialização
O material do eletrodo negativo sofre uma reação de redução durante o carregamento e uma reação de oxidação durante a descarga, e geralmente tem um potencial de redução menor. O material catódico ideal deve atender aos requisitos de baixo potencial de redução (mas deve ser maior que o potencial de deposição de sódio metálico), grande capacidade reversível, desempenho de ciclo estável, alta condutividade eletrônica e iônica, estrutura estável e sem medo de ar, alta segurança , e preço baixo. Para uma bateria de íons de sódio, o material do eletrodo negativo desempenha um papel importante no carregamento e liberação de íons de sódio, o que afeta diretamente o desempenho dinâmico geral da bateria, como desempenho de taxa, densidade de potência, etc. Atualmente, os materiais de ânodo de sódio bateria de íons são divididos principalmente em cinco tipos: materiais à base de carbono, materiais à base de titânio, materiais de liga, compostos orgânicos e outros sistemas. Entre eles, os materiais à base de carbono têm a mais alta maturidade tecnológica e são ricos em recursos, e espera-se que assumam a liderança na realização da industrialização. mudança.
Materiais à base de carbono: carbono macio e carbono duro têm seus próprios méritos, e eletrodos negativos de grafite ainda estão em estudo
De acordo com a microestrutura dos átomos de carbono, os materiais anódicos à base de carbono são divididos em materiais à base de grafite, materiais de carbono amorfo e materiais de nanocarbono. Diferentemente de outros íons de metais alcalinos, é difícil para os íons sódio se intercalarem efetivamente entre as camadas de grafite em solventes de carbonato, o que se deve principalmente ao ΔG>0 da reação de intercalação íon sódio-grafite. Portanto, o ânodo de grafite, que é amplamente utilizado em baterias de íons de lítio, é difícil de usar em baterias de íons de sódio com carbonato como solvente. De fato, em solventes de éter, o grafite também pode inserir e remover efetivamente íons de sódio, mas a estabilidade do eletrólito é enfraquecida e é fácil reagir com o eletrodo positivo, que precisa de mais estudos. Os materiais de carbono amorfo possuem alta capacidade específica de armazenamento de sódio e também são os materiais anódicos que estão mais próximos da industrialização atualmente. De acordo com a dificuldade de grafitização do tratamento térmico, ele é dividido em carbono macio e carbono duro. O carbono macio pode ser completamente grafitado em temperaturas acima de 2800 °C, e o carbono duro também é difícil de grafitar em altas temperaturas. A diferença entre carbono macio e duro está nas interações de reticulação das camadas de carbono na microestrutura, que é fundamentalmente dependente da estrutura e forma do precursor de carbonização utilizado. De um modo geral, os precursores termoplásticos (matérias-primas e subprodutos petroquímicos) tendem a formar carbono macio, enquanto os precursores termofixos (biomassa, polímeros de resina, etc.) tendem a formar carbono duro. Relativamente falando, o custo de fabricação do carbono macio é menor, o processo é fácil de controlar, mas a capacidade específica não é tão boa quanto a do carbono duro; a capacidade específica do carbono duro é maior, mas a eficiência do primeiro ciclo é muitas vezes menor, e seu desempenho depende do precursor utilizado e do tratamento. processo, o rendimento de carbono é baixo. Vale ressaltar que o mecanismo de armazenamento de sódio de materiais de carbono duro ainda não é completamente compreendido, e ainda há muito espaço para melhorias. Os nanomateriais de carbono incluem principalmente grafeno e nanotubos de carbono, e os íons de sódio são armazenados principalmente em sua superfície e defeitos por adsorção. A capacidade específica teórica desses materiais é grande, mas na primeira semana a eficiência coulombiana é baixa, o potencial de reação é alto e o preço é alto. caro.
Materiais à base de titânio: vantagens potenciais únicas, difíceis de comercializar a curto prazo
O potencial de redução do titânio tetravalente é geralmente baixo, seus compostos são estáveis ao ar e compostos de titânio com diferentes estruturas cristalinas têm diferentes potenciais de armazenamento de sódio, por isso são usados para desenvolver materiais anódicos. Atualmente, os materiais à base de titânio são principalmente alguns óxidos de titânio e compostos polianiônicos. Os óxidos incluem Na2Ti3O7 em camadas, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 e Li4Ti5O12 tipo espinélio (também usado em eletrodos negativos de bateria de íon de lítio), etc. Os compostos polianiônicos incluem NaTiOPO4 ortogonal, tipo NASICON de NaTi2(PO4)3. A capacidade específica desses materiais geralmente não é alta, mas eles têm muitas vantagens exclusivas. Por exemplo, Li4Ti5O12 é um material livre de tensão, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 pode atuar como materiais positivos e negativos, e NaTi2(PO4)3 pode Para bateria de íons de sódio à base de água.
Materiais de liga: enorme capacidade teórica específica, dificuldades técnicas a serem superadas
O sódio metálico pode formar ligas com Sn, Sb, In e outros metais e pode ser usado como eletrodo negativo da bateria de íons de sódio, que é semelhante ao eletrodo negativo à base de silício da bateria de íons de lítio. As vantagens deste tipo de material são alta capacidade específica teórica e baixo potencial de reação, por isso espera-se fabricar baterias de íons de sódio com alta densidade de energia e alta tensão. No entanto, a cinética de reação desses materiais é pobre, e a mudança de volume antes e depois da desintercalação de sódio pode atingir várias vezes. Com o enorme estresse, o material ativo é fácil de cair da superfície do coletor de corrente e a capacidade específica decai rapidamente.
Compostos orgânicos: condições de síntese suaves, ainda em fase de pesquisa
As vantagens e desvantagens dos materiais anódicos orgânicos são semelhantes às dos materiais catódicos orgânicos. Os tipos atuais incluem principalmente compostos carbonílicos, compostos de base de Schiff, compostos de radicais orgânicos e sulfetos orgânicos, que ainda estão em fase de pesquisa laboratorial.
Outros sistemas: Compostos V e VI, principalmente metais de transição, ainda estão em fase de pesquisa
Alguns óxidos de metais de transição, sulfetos, selenetos, nitretos e fosfetos também têm atividade eletroquímica para armazenamento reversível de sódio. Esses materiais são frequentemente acompanhados por reações de conversão e reações de liga, de modo que sua capacidade teórica específica pode exceder os materiais de ânodo de liga correspondentes, mas também mais problemas técnicos.
(3) material eletrolítico: principalmente eletrólito líquido, a forma é a mesma da bateria de lítio
O eletrólito é uma ponte para transferência de material entre eletrodos positivos e negativos. É usado para transportar íons para formar um circuito fechado. É uma garantia importante para a manutenção de reações eletroquímicas. Isso não apenas afeta diretamente a taxa, a vida útil do ciclo, a autodescarga e outros desempenhos da bateria, mas também determina a estabilidade e a segurança da bateria. um dos elementos centrais da sexualidade. De acordo com a forma física, o eletrólito da bateria de íons de sódio pode ser dividido em eletrólito líquido e eletrólito sólido.
Eletrólito líquido: semelhante às baterias de lítio, os sais de lítio tornam-se sais de sódio
Os eletrólitos líquidos são frequentemente chamados de eletrólitos e geralmente consistem em solventes, solutos e aditivos. Como o limite superior da janela eletroquímica da água não excede 2V, o solvente é algum solvente orgânico polar aprótico, que pode não apenas dissolver uma grande quantidade de sais de sódio, mas também não pode liberar prótons de hidrogênio e também possui um certo anti- capacidade de oxidação-redução. Tem uma viscosidade mais baixa. Portanto, carbonatos com alta constante dielétrica e alta viscosidade são geralmente usados em combinação com éteres com baixa constante dielétrica e baixa viscosidade, de modo que o eletrólito é altamente inflamável. Os solutos são principalmente sais de sódio com ânions de grande raio, que são divididos em sais de sódio inorgânicos e sais de sódio orgânicos. Sais de sódio, etc. Em geral, os sais de sódio orgânicos são mais estáveis, enquanto os sais de sódio inorgânicos são mais baratos. Atualmente, espera-se que a aplicação industrial seja principalmente o hexafluorofosfato de sódio, que tem uma condutividade relativamente melhor, mas é altamente sensível à água. O teor de aditivos no eletrólito é inferior a 5%, principalmente alguns compostos como sais de sódio, ésteres, nitrilas, éteres, etc., que desempenham um papel na formação de filme SEI e filme CEI, proteção contra sobrecarga e chama retardador.
Eletrólito de estado sólido: para eletricidade de sódio em estado sólido, ainda em fase de pesquisa
Os materiais eletrolíticos de estado sólido incluem principalmente três tipos: eletrólitos de estado sólido inorgânicos, eletrólitos de estado sólido de polímeros e eletrólitos de estado sólido compostos. Devido à prevenção de solventes orgânicos inflamáveis e explosivos, a segurança da bateria foi substancialmente melhorada e a janela eletroquímica foi bastante ampliada, tornando possível o uso de materiais catódicos de alto potencial e ânodos metálicos de sódio, melhorando consideravelmente a energia densidade de toda a bateria. . Além disso, devido à barreira eletrolítica sólida rígida entre os eletrodos positivo e negativo, um separador separado não é mais necessário e, com o processo de eletrodo bipolar, a densidade de energia do sistema da bateria pode ser melhorada. Tais materiais enfrentam atualmente problemas como baixa condutividade em temperatura ambiente e alta impedância de interface, e sua industrialização levará tempo.
1.2.2. Materiais inativos: diafragmas, coletores de corrente, agentes condutores, ligantes
Os materiais inativos na bateria de íons de sódio incluem principalmente diafragmas, coletores de corrente, agentes condutores, ligantes, etc. Eles não participam diretamente da reação eletroquímica, mas são materiais auxiliares essenciais, e sua compatibilidade com materiais ativos e outros fatores terá um impacto significativo no desempenho da bateria.
(1) Diafragma: comum às baterias de íon de lítio
A função do separador é separar fisicamente os eletrodos positivo e negativo para evitar o contato direto e a reação entre os dois, e ao mesmo tempo garantir a infiltração e penetração das moléculas do solvente, permitindo a rápida passagem dos íons sódio solvatados. O material separador ideal deve ter bom isolamento eletrônico e condutividade iônica, alta resistência mecânica e o mais fino possível, alta inércia química (nem reagir com eletrólito, nem reagir com eletrodos positivo e negativo) e boa estabilidade térmica sexual. Separadores de polímeros de poliolefina, como PE, PP e filmes compostos, são amplamente utilizados em baterias de íons de lítio, e esses materiais separadores podem ser transplantados diretamente para o sistema de baterias de íons de sódio. No futuro, no sistema de bateria de íons de sódio de estado sólido, o material do diafragma não será mais necessário.
(2) Coletor de corrente: eletrodos positivos e negativos são feitos de folha de alumínio
O coletor de corrente é o elemento base ao qual estão fixados os materiais ativos positivos e negativos, representando cerca de 10-13% do peso da bateria, e é utilizado para coletar a corrente gerada pelo material do eletrodo e liberar a condução para o exterior . Embora o coletor de corrente não participe da reação do eletrodo, ele é a garantia fundamental para o desempenho do material do eletrodo, e sua pureza, espessura, tensão e outros parâmetros afetam indiretamente o desempenho real de trabalho do eletrodo. Os materiais utilizados como coletores de corrente devem ter excelente condutividade elétrica, baixa resistência de contato com materiais ativos, alta inércia química (para não reagir com eletrólitos e eletrodos positivos e negativos), boa processabilidade e propriedades mecânicas estáveis. Em baterias de íon-lítio, o coletor de corrente do eletrodo positivo é folha de alumínio, e o coletor de corrente do eletrodo negativo é folha de cobre para evitar a liga de alumínio e lítio sob condições de baixo potencial. Em baterias de íons de sódio, como o sódio e o alumínio não sofrem uma reação de liga, as folhas de alumínio podem ser usadas para coletores de corrente positiva e negativa, evitando folhas de cobre relativamente caras.
(3) Agente condutor: o mesmo que bateria de íon de lítio
Quando o material do eletrodo é realmente utilizado, também é necessário adicionar um agente condutor, que tem três funções principais: reduzir a autopolarização do material do eletrodo, reduzir a resistência de contato entre as partículas do material ativo e entre o coletor de corrente, adsorver o eletrólito e melhorando a infiltração do eletrodo Efeito. Os agentes condutores comumente usados são materiais de carbono com grande área de superfície específica e boa condutividade, como negro de fumo, pó de grafite, nanotubos de carbono e grafeno.
(4) Pasta: igual à bateria Li-ion
A função do aglutinante é combinar o material do eletrodo, o agente condutor e o coletor de corrente para fazer uma peça polar completa que pode ser usada. O material utilizado como aglutinante deve ter boa estabilidade, ser de fácil processamento e baixo custo. Os ligantes comumente usados para baterias de íon de sódio são semelhantes às baterias de íon de lítio, principalmente polímeros polares fortes, como fluoreto de polivinilideno (PVDF), alginato de sódio (SA), ácido poliacrílico (PAA), carboximetilcelulose de sódio (CMC), politetrafluoretileno (PTFE) , etc
Processo de fabricação e rota: na mesma linha das baterias de lítio
1.3.1. Síntese do material do eletrodo: apenas o azul da Prússia é especial
O método de síntese do material catódico da bateria de íons de sódio deve ser determinado de acordo com a categoria de material específica, que é dividida principalmente em método de reação em fase sólida e método de síntese em fase líquida. Os materiais de óxido e poliânion podem ser sintetizados pelo método de reação em fase sólida ou pelo método de síntese em fase líquida. O processo de síntese é basicamente o mesmo dos materiais correspondentes para baterias de íons de lítio, de modo que a linha de produção pode ser compatível até certo ponto. Atualmente, o método de reação em fase sólida é o mais utilizado na indústria. A uniformidade do produto preparado por este método tem certas limitações, mas a operação é simples e o processo tecnológico é curto, o que é adequado para produção em larga escala. O método de síntese em fase líquida tem alta uniformidade de produto, mas é relativamente caro, requer alto equipamento e tem muita água residual. Além disso, existem tecnologias como método sol-gel, método de síntese por micro-ondas, método de secagem por pulverização, método de troca iônica, etc., que geralmente têm alto custo e não são adequados para a produção industrial por enquanto.
1.3.2. As baterias são montadas em grupos: o processo de montagem e a classificação de aparência são os mesmos das baterias de íons de lítio
Semelhante às baterias de íons de lítio, a produção de baterias de íons de sódio também passa por processos como polpação, revestimento, montagem, injeção de líquido e formação química. Entre eles, o processo de montagem consiste principalmente em combinar as placas positivas e negativas completas através da camada intermediária do diafragma para estabelecer o caminho do íon sódio dentro da bateria e isolar os eletrodos positivos e negativos para evitar curtos-circuitos internos. O processo de montagem segue a tecnologia da bateria de íons de lítio e é dividido em processos de bobinagem e laminação. O primeiro é dividido em enrolamento cilíndrico e enrolamento quadrado. Além disso, o design estrutural e o processo de embalagem de produtos de bateria de íon de sódio seguem basicamente a bateria de íon de lítio, e a aparência é dividida em três categorias: cilíndrica, pacote macio e casca dura quadrada, cada uma com suas próprias vantagens e desvantagens.
Comparação horizontal: bateria de sódio vs bateria de lítio, fluxo de líquido, ácido de chumbo
À medida que a industrialização da bateria de íon de sódio avança, ela deve ter vários graus de impacto em outras tecnologias de bateria secundária. As primeiras a suportar o peso são as baterias de íons de lítio, bem como as baterias de fluxo e as baterias de chumbo-ácido que há muito são amplamente utilizadas no mercado. Nesta seção, prevemos brevemente o futuro cenário competitivo da bateria de íon de sódio através da comparação horizontal entre a bateria de íon de sódio e as três tecnologias de bateria acima.
Bateria de sódio versus bateria de lítio: desempenho comparável ao fosfato de ferro de lítio, desempenho de custo abrangente ou superior
A bateria de íon de sódio é um complemento e extensão da bateria de íon de lítio, não uma relação de substituição completa. Em primeiro lugar, em termos de desempenho, o sistema de bateria de íons de lítio existente não é perfeito: as baterias de cátodo ternário têm alta densidade de energia, mas ciclo de vida ruim; as baterias de cátodo de fosfato de ferro de lítio têm alta vida útil, mas baixa densidade de energia; baterias de cátodo de manganato de lítio A tensão de trabalho é alta, mas a densidade de energia e a vida útil do ciclo são ruins. Além disso, as baterias de íon-lítio são propensas a desvanecimento severo da capacidade em baixas temperaturas, exigindo um sistema de controle de temperatura, que consome pelo menos 5% da energia do sistema de bateria e aumenta o custo de fabricação. Em contraste, a densidade de energia do sistema de bateria de íons de sódio existente se aproximou da do fosfato de ferro e lítio; embora a vida útil do ciclo não seja tão boa quanto a do fosfato de ferro e lítio, é significativamente melhor do que os materiais ternários e o manganato de lítio.
Em segundo lugar, do ponto de vista da segurança, uma vez que a temperatura inicial de fuga térmica da bateria de iões de sódio é ligeiramente superior à da bateria de iões de lítio, a segurança ao nível da célula foi melhorada, mas ambas as baterias precisam de utilizar materiais orgânicos altamente inflamáveis eletrólitos, existe o risco de deflagração em condições de fuga térmica. A partir dos atuais experimentos destrutivos, como a perfuração de células, a segurança real da bateria de íons de sódio pode ser semelhante à da bateria de fosfato de ferro e lítio.
Finalmente, do ponto de vista do custo, a bateria de íons de sódio pode efetivamente reduzir o custo das matérias-primas. Primeiro, os compostos de lítio nos materiais ativos (cátodo, eletrólito) são substituídos por compostos de sódio como um todo, e metais baratos, como ferro e manganês, substituíram amplamente os metais mais caros, como cobalto e níquel no cátodo; segundo, o sódio metálico não se forma com o alumínio metálico. Liga eutética, coletores de corrente positiva e negativa podem ser feitos de folha de alumínio barata, substituindo os coletores de corrente de eletrodo negativo de cobre mais caros na bateria de íon de lítio original; em terceiro lugar, porque o raio de Stokes dos íons de sódio é menor que o dos íons de lítio, de modo que a quantidade de soluto no eletrólito pode ser bastante reduzida. No futuro, a bateria de íon de sódio provavelmente formará uma forte relação competitiva com as baterias de fosfato de ferro e lítio, especialmente nas regiões alpinas; As baterias de íon de lítio continuarão a se desenvolver na direção de alta densidade de energia e alta tensão de trabalho, e gradualmente se transformarão em baterias de estado sólido, etc. Novas iterações de tecnologia.
Eletricidade de sódio versus fluxo de líquido: as vantagens e desvantagens são altamente complementares, ou ficam lado a lado no mercado de armazenamento de energia
A bateria de íons de sódio e a bateria de fluxo têm forte complementaridade, a primeira é adequada para armazenamento de energia pequeno e flexível, e a última é adequada para armazenamento de energia em grande e média escala. Uma bateria de fluxo é um dispositivo de armazenamento de energia eletroquímica de fase líquida (principalmente sistema de fase aquosa), caracterizado pelo fato de que o material de trabalho ativo é dissolvido no eletrólito, e o armazenamento e a liberação de energia são realizados alterando o estado de valência de oxidação do o material ativo. Os representantes incluem baterias de fluxo de vanádio, baterias de fluxo de ferro-cromo e baterias de fluxo de zinco-bromo. A maior vantagem da bateria de fluxo está na segurança intrínseca de seu sistema fase água e seu ciclo de vida ultra-longo, que é especialmente adequado para instalações de armazenamento de energia eletroquímica de médio e grande porte, mas as desvantagens são baixa densidade de energia e temperatura de operação estreita alcance, por isso é difícil miniaturizar ou aplicar em regiões alpinas. Em contraste, a densidade de energia de uma bateria de íons de sódio é cerca de três vezes maior que a de uma bateria de fluxo e pode suportar uma temperatura baixa de -40 °C, mas sua segurança intrínseca e vida útil não são tão boas quanto uma bateria de fluxo. No futuro, espera-se que a bateria de íons de sódio e a bateria de fluxo se complementem no campo do armazenamento de energia. Por exemplo, pequenos dispositivos de armazenamento de energia domésticos e móveis têm requisitos mais altos de densidade de energia e são adequados para o uso de baterias de íons de sódio; As centrais eléctricas de armazenamento de energia electroquímica de grande e médio porte têm requisitos de segurança mais elevados e são adequadas para a utilização de baterias de caudal.
Bateria de sódio versus ácido de chumbo: substitua gradualmente o ácido de chumbo tradicional, forçando o último a atualizar iterativamente
Espera-se que a bateria de íon de sódio substitua gradualmente as tradicionais baterias de chumbo-ácido, forçando o desenvolvimento de novas tecnologias, como baterias de chumbo-carbono. A aplicação industrial de baterias de chumbo-ácido tem mais de um século e meio, e seu ciclo fechado industrial de “produção-consumo-reciclagem” é altamente completo. As vantagens são baixo custo, fácil reciclagem e boa segurança. As desvantagens são baixa densidade de energia, ciclo de vida curto, carregamento demorado. Atualmente, as baterias de chumbo-ácido ainda estão sendo continuamente desenvolvidas e atualizadas. A mais representativa é a “bateria de chumbo-carbono” que integra a tecnologia de supercapacitor. Seu ciclo de vida é tão alto quanto 3,000 vezes, possui capacidade de carregamento rápido e mantém as características da bateria de chumbo-ácido original. Segurança e outras vantagens, mas a densidade de energia é ainda mais reduzida e o custo de fabricação também é aumentado de acordo. Em contraste, a maior parte do desempenho das baterias de íons de sódio é melhor do que as baterias tradicionais de chumbo-ácido. No futuro, à medida que o custo for reduzido, espera-se substituir gradualmente as baterias tradicionais de chumbo-ácido. Ao mesmo tempo, o aumento da bateria de íon de sódio pode acelerar indiretamente o processo de atualização e iteração de baterias de chumbo-ácido tradicionais para baterias de chumbo-carbono. No futuro, as baterias de chumbo-ácido podem renascer na forma de baterias de chumbo-carbono, em vez de se retirarem completamente do estágio histórico. (Fonte do relatório: Report Institute)
Status da indústria de baterias de sódio
Atualmente, existem cerca de 30 empresas envolvidas na indústria de baterias de íons de sódio em todo o mundo. Como os prós e os contras das rotas técnicas ainda são inconclusivos e não existe um padrão unificado, a competição de diferentes empresas é essencialmente a competição de diferentes rotas técnicas. Embora a história da pesquisa da bateria de íons de sódio dure meio século, seu desenvolvimento realmente rápido foi na última década, graças a importantes avanços na pesquisa e desenvolvimento de materiais de eletrodos. Acreditamos que a indústria ainda estará na fase de transição do período de introdução para o período de crescimento nos próximos 3 anos.
Estrutura industrial: semelhante às baterias de íon de lítio
A cadeia da indústria de baterias de íons de sódio é semelhante às baterias de íons de lítio, incluindo upstream, midstream e downstream. Upstream: fornecimento de matérias-primas e síntese de materiais de eletrodos, as principais matérias-primas incluem carbonato de sódio, folha de alumínio, minério de manganês, etc., além de diversos materiais auxiliares, envolvendo produtos químicos básicos e metais não ferrosos e outras indústrias. Midstream: embalagem de células, construção e integração de sistemas de baterias, etc., envolvendo diversos consumíveis e componentes eletrônicos. Downstream: mercados de uso final, incluindo principalmente armazenamento de energia e veículos elétricos de baixa velocidade.
Grandes empresas: Existem mais de 20 empresas no mundo, e as empresas chinesas dominam
Empresas relacionadas a baterias de íons de sódio no país e no exterior foram estabelecidas (ou entraram em campo) após 2010. Atualmente, existem mais de 20 empresas relacionadas no mundo, localizadas principalmente na China, Estados Unidos, Europa e Japão. A maioria delas são empresas iniciantes. Pesquisa e desenvolvimento de tecnologia e layout estratégico são os principais, e a escala ainda não foi formada.
3.2.1. Doméstico: Zhongke Haina acumulou muito, e a era Ningde assumiu a liderança
a pesquisa e a industrialização da bateria de íon de sódio do meu país lideram o mundo no mundo. As empresas domésticas de baterias de íon de sódio podem ser divididas em duas categorias: uma é uma empresa iniciante criada pela tecnologia autodesenvolvida de institutos de pesquisa científica, representados por Zhongke Haina; o outro é uma bateria de íon de lítio madura empresas entraram na pista de bateria de íon de sódio para participar da competição, representada pela era Ningde.
Fundada em 2017, a Zhongke Haina é a primeira empresa de alta tecnologia da China que se concentra no desenvolvimento e fabricação de baterias de íons de sódio. Foi incubada pelo Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências e tem uma equipe de P&D liderada pelo acadêmico Chen Liquan e pelo pesquisador Hu Yongsheng. , é uma das poucas empresas de baterias com tecnologias patenteadas em todos os campos de baterias de íons de sódio, lançou vários projetos de demonstração e iniciou a construção da primeira linha de produção em escala de 1 GWh. Como uma empresa de tecnologia incubada pelo Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, a Zhongke Haina possui fortes capacidades de inovação e dominou todos os campos, desde pesquisa básica e desenvolvimento de materiais ativos até produção em escala, de materiais a baterias, de células únicas a baterias módulos e de componentes de bateria para aplicativos. tecnologia.
Fundada em 2017, a Ben'an Energy é uma empresa multinacional de alta tecnologia que se dedica principalmente à pesquisa, desenvolvimento e produção de baterias de íons de sódio para sistemas de água. A empresa possui centros globais de P&D em Cingapura, China e Estados Unidos para realizar pesquisa e desenvolvimento de materiais, células e estruturas para baterias de íons de sódio à base de água; empresas regionais na China, Estados Unidos e Austrália são responsáveis pela fabricação de material de bateria e negócios no mercado regional. A empresa se concentra no campo de aplicação de armazenamento estacionário de energia. Os produtos têm as características de alta segurança intrínseca, proteção ambiental e não toxicidade. Eles são especialmente adequados para usinas de armazenamento de energia em áreas urbanas densamente povoadas e também são adequados para layout de ambiente interno; eles também são adequados para operação flutuante de longo prazo. , pode ser amplamente utilizado no sistema de energia de backup industrial.
3.2.2. No exterior: A maioria são start-ups, com pequena escala e forte visão de futuro
As empresas estrangeiras de baterias de íons de sódio estão localizadas principalmente em países desenvolvidos, como Europa, América e Japão. Vários sistemas de materiais e rotas técnicas são adotados pelas empresas. A maioria dessas empresas tem um tempo de estabelecimento relativamente curto e uma escala de produção limitada, mas sua tecnologia é muito voltada para o futuro.
A empresa britânica Faradion empurra principalmente cátodos de óxido em camadas. Fundada em 2011, a empresa é a primeira empresa de bateria de íon de sódio comercializada no mundo e atualmente detém 31 patentes de bateria de íon de sódio, abrangendo materiais de bateria, infraestrutura de bateria, segurança de bateria e transporte, etc. A empresa dá grande ênfase ao custo do produto e densidade de energia , com o objetivo final de fornecer desempenho de íons de lítio a um preço de chumbo-ácido. No final de 2021, a empresa foi adquirida pela Reliance New Energy Solar Limited (RNESL) da Índia por £ 100 milhões, que também investirá £ 25 milhões como capital de crescimento para acelerar o lançamento comercial da bateria de íons de sódio.
A empresa Natron Energy nos Estados Unidos empurra principalmente a bateria de íons de sódio do sistema de água. Fundada em 2012, a empresa é uma empresa que desenvolve e produz baterias de íons de sódio à base de água, promovendo principalmente materiais de cátodo azul da Prússia. A empresa atribui grande importância à segurança das baterias de íons de sódio e não usa eletrólitos de solventes orgânicos. Seus produtos são extremamente seguros e possuem um longo ciclo de vida. A densidade de energia é apenas ligeiramente inferior à das baterias de íon de lítio, mas a densidade de energia só é comparável à das baterias de chumbo, principalmente para eletricidade estática. Aplicações de armazenamento de energia (estações de carregamento rápido para data centers, empilhadeiras e veículos elétricos). Atualmente, sua bateria de íons de sódio foi inicialmente comercializada, com uma linha de produção piloto operando em Santa Clara, Califórnia. O próximo objetivo é expandir a produção e formar uma cadeia industrial de baterias de íons de sódio.
Desenvolvimento futuro: dar pleno destaque à dotação de recursos e vantagem comparativa da eletricidade de sódio
Problemas atuais: materiais ruins, custos altos, padrões indeterminados
4.1.1. A pesquisa de materiais precisa ser aprofundada: mecanismo de carbono duro, melhoria de desempenho, avaliação de segurança
Atualmente, ainda existem muitas controvérsias sobre o mecanismo de armazenamento de sódio do carbono duro no meio acadêmico, e isso não foi totalmente elucidado. Para melhorar os defeitos do ânodo de carbono duro existente, como a baixa eficiência do primeiro ciclo, é necessário entender profundamente o mecanismo cinético de seu armazenamento de sódio e fornecer a orientação teórica mais fundamental para pesquisa e desenvolvimento de tecnologia. Ainda há muito espaço para melhorias nas propriedades do material da bateria de íons de sódio existente. Em geral, a densidade de energia da bateria de íons de sódio atual está longe do valor teórico, e seu desempenho de ciclo também precisa ser melhorado. Por um lado, é necessária a melhoria contínua dos materiais ativos. Por outro lado, o design geral do sistema e o gerenciamento integrado também precisam ser considerados. A segurança operacional real da bateria de íons de sódio requer uma avaliação cuidadosa. Atualmente, o experimento de teste de segurança da bateria de íons de sódio está no nível da célula. Os resultados mostram que embora a segurança seja alta, a segurança após a operação real precisa ser observada com urgência, não sendo aconselhável ser cegamente otimista. Em particular, o eletrodo positivo do azul da Prússia liberará gases altamente tóxicos, como ácido cianídrico e cianeto, em caso de fuga térmica.
4.1.2. A vantagem de custo ainda precisa ser percebida: P&D tecnológico e economias de escala são indispensáveis
A redução de custos da bateria de íons de sódio depende da redução dos custos variáveis através da iteração contínua da tecnologia e da diluição dos custos fixos através da produção em massa. Em teoria, a bateria de íon de sódio tem uma grande vantagem de custo de material, mas o custo total real do produto atual é superior a 1 yuan/Wh, que é maior que o do fosfato de ferro e lítio. efeito de escala. Por um lado, os tipos de materiais de eletrodos e processos de fabricação não são padronizados, e os precursores também carecem de uma cadeia de suprimentos estável e confiável, o que leva a um baixo rendimento e consistência de materiais de eletrodos e altos custos reais. Melhorias na exploração tecnológica. Por outro lado, o preço dos equipamentos de produção é alto e a perda de depreciação é grande, representando cerca de 20~30% do custo de fabricação, que só pode ser diluído pela produção em massa.
4.1.3. Padrões técnicos a serem formulados: padronizar a ordem do mercado e promover o desenvolvimento saudável
A indústria de baterias de íon de sódio precisa estabelecer um padrão científico unificado para regular as atividades de produção das empresas e promover o desenvolvimento saudável e ordenado da indústria. Nesta fase, as rotas técnicas dos fabricantes envolvidos em P&D e produção de baterias de íons de sódio são diferentes, e há grande controvérsia sobre qual é a melhor. Atualmente, os fabricantes se referem principalmente às baterias de íons de lítio, combinadas com as características das baterias de íons de sódio e desenvolvimento industrial, para formular padrões ou especificações de produtos adequados para suas respectivas empresas, e usam isso para orientar o projeto de produtos e os processos de fabricação para garantir o rendimento do produto e consistência. Como resultado, o desempenho do produto e o nível técnico de diferentes empresas são desiguais. A formulação unificada de padrões técnicos da indústria pode desempenhar um papel melhor na liderança da indústria e é uma garantia necessária para alcançar economias de escala. Em particular, as normas de segurança são uma base importante para restringir a qualidade do produto e um meio importante para regular a ordem do mercado e promover o desenvolvimento saudável e sustentável da indústria.
Perspectivas Tecnológicas: Segurança Aprimorada e Energia Específica Mais Alta
4.2.1. Bateria de íon de sódio à base de água: bateria de íon de sódio intrinsecamente segura
A substituição de eletrólitos orgânicos por eletrólitos aquosos pode melhorar fundamentalmente a segurança das baterias de íons de sódio. A atual bateria de íons de sódio continua o sistema de eletrólito orgânico da bateria de íons de lítio, portanto, é impossível evitar fundamentalmente o risco de deflagração. Se for substituído por uma solução aquosa, não apenas melhorará muito a segurança, mas também simplificará o processo de produção, reduzindo o processo de produção. poluição ambiental. Atualmente, um grande número de soluções de sistemas de baterias de íons de sódio à base de água foram relatados, entre os quais o sistema azul da Prússia tem o melhor desempenho de ciclo, e tentativas de industrialização foram iniciadas. As empresas representativas incluem a Natron Energy e a Ben'an Energy. A longo prazo, a bateria de íons de sódio à base de água é uma direção muito promissora, especialmente para armazenamento de energia.
4.2.2. Bateria de íon de sódio de estado sólido: bateria de íon de sódio de alta densidade de energia
A substituição de eletrólitos orgânicos líquidos por materiais de eletrólitos sólidos pode produzir baterias de íons de sódio em estado sólido. Devido à prevenção de solventes orgânicos inflamáveis e explosivos, a segurança da bateria foi substancialmente melhorada e a janela eletroquímica foi bastante ampliada, tornando possível o uso de materiais catódicos de alto potencial e ânodos metálicos de sódio, melhorando consideravelmente a energia densidade de toda a bateria. . Além disso, devido à barreira eletrolítica sólida rígida entre os eletrodos positivo e negativo, não é mais necessário configurar um separador separado e, com o processo de eletrodo bipolar, a densidade de energia do sistema da bateria pode ser melhorada. Tais materiais enfrentam atualmente problemas como baixa condutividade em temperatura ambiente e alta impedância de interface, e sua industrialização levará tempo.
4.2.3. Ânodo de cointercalação de vários convidados: grafite como um ânodo universal
O ânodo de grafite também pode alcançar a intercalação e desintercalação efetiva de íons de sódio complexados na “reação de cointercalação multi-guest”. Uma vez que ΔG>0 da reação de intercalação íon sódio-grafita, é difícil para os íons sódio se intercalarem efetivamente entre as camadas de grafite em solventes de carbonato, por isso é difícil usar eletrodos negativos de grafite. De fato, em solventes de éter, íons de sódio formam ligações de coordenação com átomos de oxigênio de éter, que podem ser co-inseridos entre as camadas de grafite na forma de íons de coordenação. Essa “reação de co-inserção de vários convidados” tem um significado esclarecedor importante. Por um lado, isso significa que o eletrodo negativo de grafite também pode ser utilizado como eletrodo negativo da bateria de íons de sódio, compartilhando assim a linha de produção do material com a bateria de íons de lítio, o que permite uma redução de custos em larga escala. Por outro lado, isso abre a possibilidade de projetar uma nova geração de baterias de íons multicarregadas. No entanto, eletrólitos de éter têm estabilidade fraca e são propensos a reagir com o eletrodo positivo, o que requer mais pesquisas aprofundadas
