Os íons de sódio estão ganhando atenção em todo o mundo, como alternativa aos íons de lítio, em baterias recarregáveis. Os íons de sódio são excelentes transportadores de carga, como você pode ver neste experimento simples com bateria de cloreto de sódio e água.
Os líderes globais da indústria de baterias estão a apostar fortemente nas baterias de iões de sódio como a futura espinha dorsal da energia industrial verde. Se você pesquisar o mundo Os 10 principais fabricantes de baterias de íon de sódio, você notará que eles também incluem os maiores fabricantes de baterias de íons de lítio.
Como as químicas das baterias de íon de sódio e de íon de lítio são semelhantes, os fabricantes estão aproveitando o conhecimento comprovado de íons de lítio e equipamentos de produção para o rápido desenvolvimento de baterias de íon de sódio. Um bom exemplo é a Contemporary Amperex Technology Co. (CATL) da China, que é uma das top10 Baterias de íon de lítio fabricantes na China. CATL lançou seu Bateria de íon de sódio de primeira geração com densidade de energia de 160 Wh/kg.
Como as baterias de íon de sódio são mais volumosas do que as baterias de íon de lítio equivalentes, atualmente não são ideais para veículos elétricos. Assim, os fabricantes estão a visar o mercado de armazenamento de energia, onde o tamanho não é importante, mas o custo, o desempenho e as cadeias de abastecimento seguras são considerações fundamentais. Os cientistas acreditam que As baterias de íon de sódio são a resposta ao desafio do armazenamento de energia renovável.
No futuro, você pode esperar que as baterias de íon de sódio se tornem mais leves e mais potentes. Isso significa que essas baterias se tornarão atrativas para o mercado de veículos elétricos. No entanto, você deve ter notado que recentemente o mercado de veículos elétricos não tem sido robusto. Globalmente, o mercado de veículos eléctricos vacilou, devido ao seu elevado custo, à falta de infra-estruturas de carregamento e, em muitos casos, à retirada de incentivos fiscais. Avançar, Baterias de íons de lítio podem ser substituídas por células de combustível de hidrogênio no setor de transportes. Com o íon de lítio restrito a equipamentos eletrônicos menores, a tecnologia de íon de sódio pode avançar no longo prazo.
Qual é a bateria de íon de sódio?
Uma bateria de íon de sódio é uma bateria recarregável que usa íons de sódio para transportar carga elétrica dentro da bateria. Os íons de sódio viajam entre o ânodo e o cátodo, transportando a corrente interna da célula, durante cada ciclo de carga e descarga.
Como funciona uma bateria de íon de sódio?
Você pode ver o princípio subjacente a uma bateria de íon de sódio na Figura 1. As principais peças funcionais da bateria são:
- Um ânodo, que é um poroso elétrodo e contém muitos átomos de sódio ionizáveis em sua superfície;
- Um Cátodo, que também é um eletrodo poroso, com área superficial suficiente para receber íons de Sódio vindos do Ânodo;
- Um separador poroso que evita o contato físico entre o ânodo e o cátodo, mas permite que os íons de sódio se desloquem entre o ânodo e o cátodo;
- Eletrólito líquido contendo sais de sódio dissolvidos. O eletrólito atua como reservatório de íons de sódio que iniciam uma corrente interna quando uma diferença de tensão é criada entre os eletrodos.
Na Figura 1, as bolas amarelas representam íons de sódio com carga positiva, enquanto as bolas vermelhas representam átomos neutros de sódio. Cada átomo neutro de sódio torna-se um íon carregado positivamente, quando um elétron é retirado de sua camada eletrônica mais externa.
Assim, uma vez aplicada uma tensão externa através de um carregador ou de uma bateria maior, os elétrons são retirados dos átomos de sódio ligados ao ânodo. Esses elétrons fluem para o circuito externo e chegam ao cátodo. O Cátodo adquire potencial negativo devido ao acúmulo de elétrons.
Simultaneamente, os átomos de sódio no ânodo, tendo perdido um elétron cada, tornam-se íons positivos e deixam o ânodo. Devido à diferença de potencial, eles viajam através do eletrólito em direção ao cátodo. No cátodo, os íons positivos de sódio são neutralizados pelos elétrons que chegam até lá vindos do circuito externo. Os átomos de sódio neutros resultantes estacionam-se no cátodo durante a parte restante do ciclo de carga.
Quando uma carga externa é conectada e a bateria descarrega, inicia-se o percurso inverso para os íons de sódio estacionados no cátodo. Os íons de sódio viajam de volta ao ânodo através do eletrólito, enquanto os elétrons do cátodo viajam através da carga externa até o ânodo. Uma vez no ânodo, os íons de sódio são neutralizados pelos elétrons vindos do circuito externo. Os átomos neutros de sódio estacionam-se no ânodo durante o resto do ciclo de descarga. Assim, toda a vida útil dos íons de sódio neste tipo de bateria recarregável é gasta no transporte entre o ânodo e o cátodo!
A densidade máxima de tráfego de íons de sódio depende das propriedades do eletrólito, bem como da construção do ânodo e do cátodo. Estes são parâmetros importantes no projeto da bateria, determinando a densidade de energia e a corrente.
Aplicações
Os especialistas acreditam que as aplicações ideais para baterias de íon de sódio estão em aplicações estacionárias de armazenamento de energia nos setores industriais e renováveis. O NAIMA O projeto na União Europeia está focado no desenvolvimento de duas configurações de células de íon de sódio ecológicas e seguras para o setor de armazenamento de energia.
Entretanto, a primeira implantação comercial mundial de baterias de iões de sódio no setor automóvel foi realizada na China. A joint venture entre JAC da China e Volkswagen da Alemanha lançou um veículo de passageiros de cinco lugares movido por bateria de íon de sódio de 25 kWh, com autonomia de 250 km.
Baterias de íon de sódio também estão sendo consideradas para dispositivos eletrônicos pessoais, como laptops e telefones celulares. Embora mais pesadas que as baterias de íons de lítio, elas são mais baratas e seguras, sendo que ambas são considerações importantes para o consumidor.
Outra aplicação das baterias de íon de sódio é em sistemas de energia de reserva, como em UPS da Natron Energy .
Como a bateria de íons de sódio muda o jogo:
As baterias de íon de sódio trarão muitos benefícios aos mercados de baterias recarregáveis. Esses incluem:
Maior segurança
Em comparação com as baterias de íon de lítio, as baterias de íon de sódio são menos propensas a pegar fogo. As futuras gerações de íons de sódio poderão usar eletrólitos de estado sólido que estarão absolutamente livres deste perigo. Por exemplo, Pesquisadores australianos desenvolveram um eletrólito de polímero sólido não inflamável, para uso com baterias de íon de sódio. Várias outras estratégias para mitigar os riscos térmicos das baterias de íon de sódio também estão sendo investigadas, incluindo seleção de materiais para maior segurança.
Custo mais baixo
O custo das baterias de íon de sódio por kWh é menos de um terço das baterias de íon de lítio. Por causa do custo da matéria-prima.
Menor risco na cadeia de suprimentos
Ao contrário do Lítio, que é extraído e refinado apenas em alguns países, o Sódio está facilmente disponível em todo o mundo. Isto reduz significativamente os riscos da cadeia de abastecimento de matérias-primas.
Bateria de íon de sódio versus bateria de íon de lítio
Como consumidor ou investidor, se você tivesse que escolher entre os dois, que caminho seguiria? Você consideraria os benefícios imediatos e as características de desempenho como consumidor, enquanto, como investidor, analisaria questões maiores e de longo prazo.
Vamos comparar os dois tipos de baterias em alguns parâmetros-chave, relevantes tanto para os consumidores como para os investidores.
| Parâmetro | Bateria de íon de lítio | Bateria de íons de sódio |
| Maturidade da tecnologia e das cadeias de suprimentos | A tecnologia está madura, existem cadeias de abastecimento globais estabelecidas. | A tecnologia de primeira geração é comercializada. Cadeias de abastecimento limitadas. |
| Custo | ~$130 -$180/kwh | ~$40-$55/kwh |
| Segurança | Alto risco de fuga térmica devido a materiais celulares pegarem fogo devido à produção descontrolada de calor | Existe risco de fuga térmica para baterias de íon de sódio, mas pode ser eliminado pela seleção e design de materiais celulares no futuro. |
| Densidade Energética | 150 -250Wh/kg | 100-160 Wh / kg |
| Voltagem | 3.0 ~4.5V | 2.8 ~3.5V |
| Armazenamento sem carga | Não recomendado, reduzirá a vida útil da bateria | Permitido. Não afetará a vida útil da bateria |
| Risco da cadeia de suprimentos | Alta, devido ao fornecimento de Lítio e ao refino concentrado em poucos países. | Baixo risco, pois o sódio está disponível em abundância e o refino é fácil. |
Baterias de íon de sódio – presente e futuro
As baterias de íon de sódio surgiram no momento certo, quando a atenção global está voltada para a descarbonização da energia. As baterias de íon de sódio de primeira geração já demonstraram diversas vantagens em relação às de íon de lítio, principalmente em parâmetros de custo e segurança.
No entanto, a procura actual por tais baterias recarregáveis é impulsionada por veículos eléctricos e dispositivos electrónicos pessoais, onde as baterias de lítio dominam o mercado. Devido à menor densidade de potência e ao maior peso, será difícil para o íon de sódio competir usando baterias de primeira geração. Conseqüentemente, muitos esforços de pesquisa e desenvolvimento estão sendo feitos para melhorar a densidade de potência das baterias de íon de sódio. Na verdade, um avanço pode estar próximo, uma vez que CATL anunciou que sua próxima geração de bateria de íon de sódio atingirá 200 kwh/kg. A melhoria da densidade energética a custos competitivos será um desafio sem fim para todos os tipos de baterias. Por exemplo, a CATL está novamente definindo o ritmo aqui, trabalhando em um futurista baseado em lítio Bateria de matéria condensada de 500 kWh/kg.
A médio prazo, o aumento dos investimentos em energias renováveis por parte de países de todo o mundo aumentará a procura de sistemas de armazenamento de energia. Os fabricantes de baterias de íon de sódio veem esta como a melhor opção, assim que ela decolar.
Além da energia e da densidade de potência, a tecnologia das baterias de íons de sódio continua a se desenvolver, para preencher a lacuna com a tecnologia de íons de lítio. Os cientistas estão a resolver questões relacionadas com a degradação dos materiais, desenvolvendo ânodos, cátodos e eletrólitos melhores e mais baratos, melhorando a segurança e a capacidade de reciclagem.
As cadeias de abastecimento de baterias de iões de sódio também têm de se expandir, para o que devem ser feitos os investimentos necessários.
Concluindo, as baterias de íon de sódio emergiram como um sério concorrente de suas contrapartes de íon de lítio. No entanto, serão necessários muitos anos de desenvolvimento e sucesso comercial antes que se possa dizer que as baterias de íon de sódio representam o futuro da energia.
