натрий-ионная батарея прошлое и настоящее

Содержание

Техническое введение: натрий-ионные батареи в прошлом и настоящем

Основные понятия и историческая справка: «брат-близнец» литиевых батарей

В последние годы развитие чистой энергетики стало консенсусом большинства стран мира. моя страна даже выдвинула грандиозную цель «углеродного пика и углеродной нейтральности». Технологии производства экологически чистой энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра и энергия приливов, быстро развиваются. Он имеет характеристики прерывистой, случайной и сильной географической зависимости. Чтобы решить временные и пространственные ограничения производства новой энергии и улучшить коэффициент использования новой энергии, важность технологии накопления энергии становится все более заметной. В соответствии с методами преобразования и хранения электрической энергии технологии хранения энергии делятся на физическое хранение энергии, химическое хранение энергии и электрохимическое накопление энергии. Среди них электрохимическое накопление энергии включает технологию вторичных батарей и суперконденсаторов, которые обладают характеристиками высокой эффективности преобразования энергии и быстрой скоростью отклика. Особенно технология вторичной батареи также имеет преимущества высокой плотности энергии и легкой модульности.

Вторичная батарея, также известная как перезаряжаемая батарея или аккумулятор, представляет собой устройство, которое использует обратимые химические реакции и может многократно заряжаться и разряжаться для преобразования электрической энергии и химической энергии друг в друга для достижения накопления энергии. Способность вторичной батареи накапливать энергию выражается плотностью энергии (также называемой удельной энергией), то есть полной энергией, которая может быть отдана батареей на единицу массы или объема, которая является произведением удельной емкости и удельной энергии. среднее напряжение разряда. Удельная емкость теоретически определяется молярной массой веществ, участвующих в электродной реакции, и количеством приобретенных и потерянных электронов. Следовательно, чем больше отношение заряда к массе носителя заряда, тем больше теоретическая удельная емкость аккумулятора. Теоретически напряжение разряда в основном определяется разностью потенциалов и внутренним сопротивлением положительного и отрицательного материалов. Следовательно, чем выше потенциал положительного электрода, чем ниже потенциал отрицательного электрода, и чем меньше внутреннее сопротивление батареи, тем больше напряжение разряда. Во-вторых, носитель заряда должен иметь хорошую транспортную способность и кинетическую активность, что напрямую влияет на скорость и удельную мощность батареи. Наконец, такие факторы, как обратимость электродных реакций и побочных реакций, определяют цикличность и срок службы вторичных батарей. Щелочные металлы, представленные литием, имеют самый низкий окислительно-восстановительный электродный потенциал, большое отношение заряда иона к массе и низкую энергию десольватации, поэтому они были опробованы в качестве анодных материалов для вторичных батарей еще в 1960-х годах. Ранние литий-ионные батареи использовали металлический литий или литиевый сплав в качестве отрицательного электрода и галогениды переходных металлов (такие как AgCl, CuCl, NiF2 и т. д.) в качестве положительного электрода, но такие материалы положительного электрода имеют плохую проводимость, легко растворяются, и объем заряда и разряда резко меняется, и это трудно решить. В конце 1960-х годов было обнаружено, что соединения переходных металлов и халькогенидов, представленные TiS2, обладают способностью к межслоевой интеркаляции и деинтеркаляции, что позволяет использовать их в качестве катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов, а также обладают высокой электропроводностью и электрохимической реакционной способностью. 2.2 В, с практической ценностью. Однако высокая активность металлического лития приводит к частым авариям с батареями, что вынуждает людей использовать интеркаляционные соединения лития (такие как графит, интеркалированный литием) в качестве отрицательного электрода. Это концепция «батареи кресла-качалки»: использование соединений с низким потенциалом интеркаляции в качестве отрицательных электродов, соединение с высоким потенциалом интеркаляции действует как положительный электрод, что позволяет избежать проблемы дендритов щелочных металлов. Поскольку потенциал отрицательного электрода из интеркаляционного соединения лития выше, чем у металлического лития, общее напряжение и плотность энергии батареи снижаются, что заставляет людей искать новые материалы для положительного электрода и последовательно открывать положительный электрод. такие материалы, как кобальтат лития, манганат лития и фосфат лития-железа.

Стоимость и производительность натрий-ионной батареи имеют преимущества перед литий-ионной батареей. Натрий и литий относятся к одному семейству в периодической таблице, имеют одинаковое количество валентных электронов и обладают более активными химическими свойствами. Поскольку атомная масса и радиус натрия намного больше, чем у лития, плотность энергии натрий-ионной батареи, очевидно, трудно сравнить с литий-ионными батареями, но естественное изобилие натрия в изобилии. Степень плотности более чем в тысячу раз выше, чем у лития, а энергия десольватации ионов натрия значительно ниже, чем у ионов лития. Ионно-натриевая батарея появилась в 1970-х годах почти одновременно с ионно-литиевой батареей, но процесс их исследования немного отличается. Натриевая вторичная батарея, впервые появившаяся в то время, представляла собой натрий-серную батарею с элементарной серой и металлическим натрием в качестве положительного и отрицательного электродов, проводником быстрых ионов из β-оксида алюминия в качестве твердого электролита, а рабочая температура составляла 300–350 °. С. Эта высокотемпературная натрий-серная батарея имеет высокую плотность энергии (150~240 Втч/кг) и срок службы 2500 раз, в то время как аналогичная литий-серная батарея имеет срок службы менее 10 раз. Чтобы повысить безопасность натриевых вторичных батарей, были разработаны натрий-ионные батареи с комнатной температурой, используя идею, аналогичную литий-ионным батареям, материал катода подвергся слоистому сульфиду переходного металла (TiS2) в слоистый оксид (NaxCoO2)) и фосфату. (Na3M2(PO4)3, М — переходный металл). Но в конце 1980-х исследования по натрий-ионным батареям были заморожены, и связанные с ними исследования почти прекратились. Этому есть три причины: во-первых, трудно найти подходящий материал для анода (графит, который может эффективно удерживать литий в эфирных растворителях, плохо удерживает натрий); во-вторых, условия исследования ограничены (высокое содержание воды и кислорода в системе, и трудно использовать металлический натрий, который использовался в качестве эталонного электрода для экспериментов по оценке материала); в-третьих, на первое место вышли литий-ионные аккумуляторы (большое количество исследователей закрепили направление именно на литий-ионных аккумуляторах).

До 21 века натрий-ионная батарея стала поворотным моментом. В 2000 году было обнаружено, что твердый углеродный материал, полученный пиролизом глюкозы, имеет удельную емкость накопления натрия до 300 мА ч / г, что обеспечивает важный анодный материал для натрий-ионной батареи. В 2007 г. был найден полианионный катодный материал Na2FePO4F, объемная скорость деформации которого составила всего 3.7% при практически полном отсутствии деформации. С 2000 по 2010 год скорость исследований натрий-ионной батареи была относительно низкой, в основном сосредоточенной в нескольких экспериментальных группах. После 2010 года исследования по натрий-ионным батареям начались весной, и появились новые системы материалов, которые постепенно пытаются индустриализовать.

натрий-ионная батарея прошлое и настоящее

Принцип работы и материалы: аналогичны литиевым батареям.

Принцип работы натрий-ионной батареи точно такой же, как и у литий-ионной батареи, то есть при определенном потенциале происходит обратимая десорбция и интеркаляция гостевых ионов щелочного металла в основной материал, в котором используется более высокий потенциал интеркаляции. в качестве положительного электрода, а нижний интеркаляционный потенциал используется в качестве положительного электрода. Отрицательный электрод, процесс цикла зарядки и разрядки всей батареи представляет собой процесс направленной миграции ионов щелочных металлов туда и обратно между положительным и отрицательным электродами. Аккумулятор с таким рабочим механизмом представляет собой «батарейку-качалку», предложенную М. Арманом. Структура состава натрий-ионной батареи точно такая же, как и у литий-ионной, в основном она включает положительный электрод, отрицательный электрод, электролит, сепаратор и токосъемник. В зависимости от того, участвует ли материал-хозяин непосредственно в процессе электрохимической реакции, их можно разделить на активные материалы и неактивные материалы.

Активные материалы: положительный электрод, отрицательный электрод, электролит

Активные материалы натрий-ионной батареи включают материал положительного электрода, материал отрицательного электрода и материал электролита, которые непосредственно участвуют в электрохимической реакции и, таким образом, определяют внутренние характеристики батареи. Поскольку радиус и электронная структура ионов натрия сильно отличаются от ионов лития, термодинамика и кинетическое поведение реакций совершенно другие, поэтому исследования и разработка активных материалов для натрий-ионных аккумуляторов не могут полностью имитировать ионно-литиевые аккумуляторы.

(1) Материал катода: оксид, берлинская лазурь, три основных линии полианиона

Материал положительного электрода подвергается реакции окисления во время зарядки и реакции восстановления во время разряда и обычно имеет высокий восстановительный потенциал. Идеальный катодный материал должен отвечать требованиям высокого восстановительного потенциала (но должен быть ниже окислительного потенциала электролита), большой обратимой емкости, стабильной работы цикла, высокой электронной и ионной проводимости, стабильной структуры и не бояться воздуха, высокой безопасности. , и низкая цена. Для натрий-ионных батарей теоретическая удельная емкость существующих катодных материалов относительно низка, поэтому она становится одним из основных факторов, определяющих общую емкость батареи. В настоящее время катодные материалы натрий-ионных аккумуляторов в основном делятся на пять типов: оксиды, полианионы, берлинская лазурь, фториды и органические соединения. Первые три типа имеют наибольшую зрелость и вступили в раннюю стадию индустриализации. .

Оксиды: самая зрелая технология, высокая удельная мощность и самые распространенные типы

Катодные материалы на основе оксидов обычно представляют собой оксиды переходных металлов, в основном включая слоистые оксиды и туннельные оксиды. Исследования слоистых оксидов являются самыми ранними и обширными. По сравнению с литий-ионными батареями слоистые оксидные катоды, содержащие только три элемента: Mn, Co и Ni, обладают обратимой электрохимической активностью. Na-ion аккумуляторы имеют более широкий диапазон выбора. Четвертый цикл. Переходные металлы от Ti к Ni обладают высокой активностью, а их рабочие механизмы более сложны, часто сопровождаются множественными фазовыми переходами. Общая формула слоистых оксидов – NaxMO2, где М – переходный металл. Общие структурные типы в основном включают тип O3 и тип P2. Первый имеет более высокую удельную мощность, но низкую скорость и производительность цикла; последний имеет лучшую скорость и производительность цикла. , но фактическая удельная емкость несколько ниже. Кроме того, слоистые оксиды склонны к гигроскопическому гидролизу на воздухе. На данном этапе слоистые оксиды имеют высокую удельную энергию и зрелую технологию получения, и ожидается, что они возглавят индустриализацию, особенно слоистые оксиды типа P2 с большей стабильностью. Оксиды туннельного типа имеют трехмерную пористую структуру и часто встречаются в оксидах с низким содержанием натрия. Они обладают отличными циклическими и скоростными характеристиками, устойчивы к воде и кислороду, но их удельная емкость слишком мала. В будущем туннельные оксиды могут иметь потенциальные конкурентные преимущества в исследованиях и разработках богатых натрием катодов и водных натрий-ионных батарей.

Берлинская лазурь: низкая стоимость материала, высокая удельная производительность, высокие технические барьеры.

Катодные материалы берлинской лазури представляют собой координационные полимеры цианидов переходных металлов с общей формулой AxM1 [M2 (CN)6]1-y·□y·nH2O, где A представляет собой ион щелочного металла, M1 и M2 представляют собой ионы переходного металла (координированные с N и C соответственно), □ — вакансионный дефект [M2(CN)6]. Благодаря уникальной электронной структуре двойной координации цианида и открытому трехмерному пространству материал обладает преимуществами стабильной структуры, быстрой скорости интеркаляции и деинтеркаляции и большой удельной емкости. Кроме того, основными переходными металлами таких материалов являются в основном дешевые металлы, такие как Fe и Mn, а исходные материалы легко доступны и недороги. Однако в практических приложениях содержание воды в решетке (включая кристаллическую воду и адсорбированную воду) и плотность дефектов вакансий в материале серьезно ограничивают рабочие характеристики батареи, что приводит к снижению ее использования емкости, энергоэффективности и срока службы. Стоит отметить, что недавно исследователи обнаружили, что натрий-ионная батарея, в которой используется катодный материал из берлинской лазури, будет выделять высокотоксичный цианистый водород и цианидный газ в условиях термического разгона, а механизм термического разложения тесно связан с решеточной водой и вакансионными дефектами. В тесной связи видно, что эта технология предъявляет более высокие требования к качеству материала. Кроме того, в приготовлении этого материала используется высокотоксичный цианистый натрий, что требует особой квалификации при производстве и поставке.

Полианионы: лучшая безопасность, слишком низкая удельная емкость, высокая стоимость материала

Катодные материалы на основе полианионов относятся к натрийсодержащим двойным солям, кристаллическая структура которых построена из ряда тетраэдрических и полиэдрических анионных единиц с общей формулой NaxMy(XaOb)zZw. , где M представляет собой катион, такой как переходный металл или щелочноземельный металл, X представляет собой сильно электроотрицательный элемент, такой как фосфор или сера, а Z представляет собой анион, такой как фтор или гидроксид. Анионные полиэдрические единицы этого типа материала имеют сильную ковалентную связь, поэтому кристаллическая структура очень стабильна, а его химическая, термическая и электрохимическая стабильность высоки, поэтому он имеет хороший срок службы и безопасность. , и его платформа напряжения имеет тенденцию быть широкой. Во-вторых, валентные электроны ионов переходных металлов имеют высокую степень локализации, и эта электронная структура может легко использовать индуктивный эффект сильно электроотрицательных элементов для повышения рабочего напряжения материала. Однако из-за его характеристик с широкой запрещенной зоной собственная электронная проводимость очень низка, что сильно ограничивает его скорость и должно быть изменено путем добавления проводящих агентов или наномасштаба. Кроме того, удельная емкость этого материала, как правило, невелика. В настоящее время наиболее типичными полианионными материалами являются в основном фосфаты, представленные NaFePO4 оливинового типа и Na3V2(PO4)3 NASICON-типа. Структура NaFePO4 такая же, как у фосфата лития-железа, но синтез должен основываться на сложном методе ионного обмена, а стоимость высока. Na3V2(PO4)3 обладает отличными показателями производительности и продолжительностью цикла, но удельная емкость ниже, чем у материалов типа оливина. Кроме того, изучаются новые полианионные материалы, такие как пирофосфат, сульфат и молибдат. Эти системы имеют улучшенные рабочие характеристики по напряжению и скорости, но все еще остается много проблем, таких как низкая фактическая удельная мощность и плохая обратимость цикла. дефект.

Фториды: относительно дешевые материалы, трудно применимые

Фториды переходных металлов обладают высоким восстановительным потенциалом, подобным оксидам, а интеркаляция и деинтеркалация ионов натрия могут быть достигнуты за счет валентного преобразования ионов переходных металлов, поэтому они также являются потенциальными катодными материалами. Самая большая проблема этого типа материала заключается в том, что удельное сопротивление слишком велико, что серьезно влияет на его производительность, а фактическая удельная емкость обычно низка. До сих пор фторидные материалы с большей удельной емкостью представляли собой фториды на основе железа, обычно представленные NaFeF3 (фактическая 128 мАч/г, теоретическая 197 мАч/г). Кроме того, некоторые материалы из гидратированного фторида железа обладают высокой удельной емкостью, например, Fe2F5H2O (исходная 251 мА·ч/г), но эффективность цикла остается низкой.

Органические соединения: не зависят от минеральных ресурсов, все еще находятся в стадии исследований.

Некоторые органические соединения с обильными сопряженными системами и неподеленными парами электронов могут вступать в обратимые окислительно-восстановительные реакции, поэтому их также можно использовать для разработки катодных материалов. Преимущества этого типа материала заключаются в том, что ему не нужно полагаться на ресурсы переходных металлов, а его структуру и свойства легко проектировать и контролировать, поэтому он имеет определенный потенциал. Однако на этой стадии все же имеются существенные дефекты: проводимость в целом низкая, склонность к растворению. В настоящее время существуют в основном сопряженные системы проводящих полимеров (такие как модифицированный полианилин, полипиррол и т.д.), сопряженные карбонильные соединения (такие как ароматические производные фената натрия, карбоксилата натрия) и тому подобное.

(2) Анодные материалы: материалы на основе углерода являются наиболее зрелыми и, как ожидается, будут играть ведущую роль в индустриализации.

Материал отрицательного электрода подвергается реакции восстановления во время заряда и реакции окисления во время разряда и обычно имеет более низкий потенциал восстановления. Идеальный катодный материал должен соответствовать требованиям низкого восстановительного потенциала (но должен быть выше, чем потенциал осаждения металлического натрия), большой обратимой емкости, стабильной производительности цикла, высокой электронной и ионной проводимости, стабильной структуры и не бояться воздуха, высокой безопасности. , и низкая цена. Для натрий-ионной батареи материал отрицательного электрода играет важную роль в загрузке и высвобождении ионов натрия, что напрямую влияет на общие динамические характеристики батареи, такие как производительность, удельная мощность и т. д. В настоящее время анодные материалы натрия Ионные батареи в основном делятся на пять типов: материалы на основе углерода, материалы на основе титана, материалы из сплавов, органические соединения и другие системы. Среди них материалы на основе углерода обладают наивысшей технологической зрелостью и богаты ресурсами, и ожидается, что они будут играть ведущую роль в осуществлении индустриализации. сдача.

Материалы на основе углерода: мягкий углерод и твердый углерод имеют свои достоинства, а отрицательные электроды из графита все еще находятся в стадии изучения.

По микроструктуре атомов углерода анодные материалы на основе углерода делятся на материалы на основе графита, аморфные углеродные материалы и наноуглеродные материалы. В отличие от ионов других щелочных металлов, ионам натрия трудно эффективно интеркалировать между графитовыми слоями в карбонатных растворителях, что в основном связано с ΔG>0 реакции интеркаляции ионов натрия и графита. Поэтому графитовый анод, широко используемый в литий-ионных батареях, трудно использовать в натрий-ионных батареях с карбонатом в качестве растворителя. На самом деле, в эфирных растворителях графит также может эффективно вводить и удалять ионы натрия, но стабильность электролита снижается, и он легко вступает в реакцию с положительным электродом, что требует дальнейшего изучения. Аморфные углеродные материалы обладают высокой удельной емкостью хранения натрия, а также являются анодными материалами, которые в настоящее время наиболее близки к индустриализации. По сложности термической обработки графитизация делится на мягкий углерод и твердый углерод. Мягкий углерод может быть полностью графитизирован при температуре выше 2800 °C, а твердый углерод также трудно графитизируется при высоких температурах. Разница между мягким и твердым углеродом заключается в поперечно-сшивающих взаимодействиях углеродных слоев в микроструктуре, которая принципиально зависит от структуры и формы используемого предшественника карбонизации. Вообще говоря, прекурсоры термопластов (нефтехимическое сырье и побочные продукты) имеют тенденцию образовывать мягкий углерод, в то время как прекурсоры термореактивных материалов (биомасса, полимерные смолы и т. д.) имеют тенденцию образовывать твердый углерод. Условно говоря, стоимость производства мягкого углерода ниже, процесс легко контролировать, но удельная мощность не так хороша, как у твердого углерода; удельная емкость твердого углерода выше, но эффективность первого цикла часто ниже, и его производительность зависит от используемого прекурсора и обработки. процесс, выход углерода низкий. Стоит отметить, что механизм накопления натрия в твердых углеродных материалах до сих пор полностью не изучен, и многое еще предстоит улучшить. Углеродные наноматериалы в основном включают графен и углеродные нанотрубки, а ионы натрия в основном накапливаются на его поверхности и дефектах за счет адсорбции. Теоретическая удельная емкость этих материалов велика, но кулоновская эффективность первой недели низка, реакционный потенциал высок, а цена высока. дорогой.

Материалы на основе титана: уникальные потенциальные преимущества, которые трудно коммерциализировать в краткосрочной перспективе

Восстановительный потенциал четырехвалентного титана, как правило, низок, его соединения устойчивы на воздухе, а соединения титана с различной кристаллической структурой имеют разный потенциал накопления натрия, поэтому они используются для разработки анодных материалов. В настоящее время материалы на основе титана представляют собой в основном некоторые оксиды титана и полианионные соединения. Оксиды включают слоистый Na2Ti3O7, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 и шпинельный тип Li4Ti5O12 (также используемый в отрицательных электродах литий-ионных аккумуляторов) и т. д. Полианионные соединения включают ортогональный NaTiOPO4, тип NASICON NaTi2(PO4)3. Удельная емкость этих материалов, как правило, невысока, но они обладают многими уникальными преимуществами. Например, Li4Ti5O12 является недеформируемым материалом, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 может действовать как положительный, так и отрицательный материал, а NaTi2(PO4)3 может использоваться для натрий-ионного аккумулятора на водной основе.

Легированные материалы: огромная теоретическая удельная емкость, технические трудности, которые необходимо преодолеть

Металлический натрий может образовывать сплавы с Sn, Sb, In и другими металлами и может использоваться в качестве отрицательного электрода натрий-ионного аккумулятора, который аналогичен отрицательному электроду на основе кремния литий-ионного аккумулятора. Преимуществом этого типа материала является высокая теоретическая удельная емкость и низкий реакционный потенциал, поэтому ожидается изготовление натрий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии и высоким напряжением. Однако кинетика реакции этих материалов плохая, а изменение объема до и после деинтеркаляции натрия может достигать нескольких раз. При большом напряжении активный материал легко отваливается от поверхности токосъемника, и удельная емкость быстро падает.

Органические соединения: мягкие условия синтеза, все еще в стадии исследований

Преимущества и недостатки органических материалов анода аналогичны преимуществам и недостаткам органических материалов катода. Текущие типы в основном включают карбонильные соединения, соединения оснований Шиффа, органические радикальные соединения и органические сульфиды, которые все еще находятся на стадии лабораторных исследований.

Другие системы: соединения V и VI, в основном переходные металлы, все еще находятся на стадии исследований.

Некоторые оксиды, сульфиды, селениды, нитриды и фосфиды переходных металлов также обладают электрохимической активностью в отношении обратимого накопления натрия. Такие материалы часто сопровождаются реакциями конверсии и реакциями сплавления, поэтому их теоретическая удельная емкость может превышать соответствующие анодные материалы Alloy, но также возникают дополнительные технические проблемы.

(3) Материал электролита: в основном жидкий электролит, форма такая же, как у литиевой батареи.

Электролит представляет собой мостик для переноса материала между положительным и отрицательным электродами. Он используется для транспортировки ионов, чтобы сформировать замкнутый контур. Это важная гарантия поддержания электрохимических реакций. Он не только напрямую влияет на скорость, срок службы, саморазряд и другие характеристики батареи, но также определяет стабильность и безопасность батареи. один из основных элементов сексуальности. По физической форме электролит натрий-ионной батареи можно разделить на жидкий электролит и твердый электролит.

Жидкий электролит: как и в литиевых батареях, соли лития становятся солями натрия.

Жидкие электролиты часто называют электролитами и обычно состоят из растворителей, растворенных веществ и добавок. Так как верхняя граница электрохимического окна воды не превышает 2В, растворителем является какой-нибудь полярный апротонный органический растворитель, который не только может растворять большое количество солей натрия, но и не может выделять протон водорода, а также обладает определенным анти- окислительно-восстановительная способность. Имеет меньшую вязкость. Поэтому карбонаты с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой вязкостью обычно используются в сочетании с простыми эфирами с низкой диэлектрической проницаемостью и низкой вязкостью, поэтому электролит легко воспламеняется. Растворенные вещества представляют собой в основном соли натрия с анионами большого радиуса, которые делятся на неорганические соли натрия и органические соли натрия. Соли натрия и т. д. В целом, органические соли натрия более стабильны, а неорганические соли натрия менее дороги. В настоящее время ожидается промышленное применение главным образом гексафторфосфата натрия, который имеет относительно лучшую электропроводность, но очень чувствителен к воде. Содержание добавок в электролите составляет менее 5%, в основном это некоторые соединения, такие как соли натрия, сложные эфиры, нитрилы, простые эфиры и т. д., которые способствуют образованию пленки SEI и пленки CEI, защите от перезаряда и воспламенению. замедлитель.

Твердотельный электролит: для твердотельного натриевого электричества, все еще на стадии исследований.

Твердотельные электролитные материалы в основном включают три типа: неорганические твердотельные электролиты, полимерные твердотельные электролиты и составные твердотельные электролиты. Благодаря отказу от горючих и взрывоопасных органических растворителей безопасность батареи была существенно повышена, а электрохимическое окно значительно расширено, что позволило использовать высокопотенциальные катодные материалы и металлические натриевые аноды, тем самым значительно улучшив энергетическую эффективность. плотность всей батареи. . Кроме того, из-за жесткого барьера из твердого электролита между положительным и отрицательным электродами больше не требуется отдельный сепаратор, а с помощью процесса с биполярным электродом плотность энергии системы батареи может быть дополнительно улучшена. Такие материалы в настоящее время сталкиваются с такими проблемами, как низкая проводимость при комнатной температуре и высокое сопротивление поверхности раздела, и их индустриализация потребует времени.

1.2.2. Неактивные материалы: диафрагмы, токосъемники, токопроводящие вещества, связующие.

К неактивным материалам в натрий-ионном аккумуляторе в основном относятся диафрагмы, токосъемники, токопроводящие агенты, связующие вещества и т. д. Они не участвуют непосредственно в электрохимической реакции, но являются важными вспомогательными материалами, и их совместимость с активными материалами и другими факторами будет иметь большое значение. значительное влияние на работу батареи.

(1) Мембрана: обычная для литий-ионных аккумуляторов

Функция сепаратора состоит в том, чтобы физически разделить положительный и отрицательный электроды, чтобы избежать прямого контакта и реакции между ними, и в то же время обеспечить инфильтрацию и проникновение молекул растворителя, обеспечивая быстрое прохождение сольватированных ионов натрия. Идеальный материал сепаратора должен иметь хорошую электронную изоляцию и ионную проводимость, высокую механическую прочность и быть как можно более тонким, высокую химическую инертность (ни реагировать с электролитом, ни реагировать с положительным и отрицательным электродами), а также хорошей термической стабильностью пола. Полиолефиновые полимерные сепараторы, такие как полиэтилен, полипропилен и композитные пленки, широко используются в литий-ионных батареях, и эти сепараторные материалы могут быть непосредственно пересажены в систему натрий-ионных аккумуляторов. В будущем в полностью твердотельных натрий-ионных аккумуляторных батареях материал диафрагмы больше не потребуется.

(2) Токосъемник: положительный и отрицательный электроды изготовлены из алюминиевой фольги.

Токосъемник представляет собой базовый элемент, к которому прикреплены положительные и отрицательные активные материалы, составляющие около 10-13% веса батареи, и используется для сбора тока, генерируемого материалом электрода, и высвобождения проводимости наружу. . Хотя токосъемник не участвует в электродной реакции, он является фундаментальной гарантией работоспособности материала электрода, а его чистота, толщина, напряжение и другие параметры косвенно влияют на фактическую работоспособность электрода. Материалы, используемые в качестве токосъемников, должны обладать отличной электропроводностью, низким контактным сопротивлением с активными материалами, высокой химической инертностью (не вступать в реакцию с электролитом и положительными и отрицательными электродами), хорошей технологичностью и стабильными механическими свойствами. В литий-ионных батареях токосъемник положительного электрода представляет собой алюминиевую фольгу, а токосъемник отрицательного электрода - медную фольгу, чтобы избежать сплавления алюминия и лития в условиях низкого потенциала. В натрий-ионных батареях, поскольку натрий и алюминий не вступают в реакцию сплавления, алюминиевую фольгу можно использовать как для положительных, так и для отрицательных токосъемников, избегая относительно дорогой медной фольги.

(3) Проводящий агент: такой же, как литий-ионный аккумулятор

Когда материал электрода фактически используется, необходимо также добавить проводящий агент, который выполняет три основные функции: уменьшение самополяризации материала электрода, снижение контактного сопротивления между частицами активного материала и между токосъемником, адсорбция электролит и улучшение инфильтрации электродного эффекта. Обычно используемые проводящие агенты представляют собой углеродные материалы с большой удельной площадью поверхности и хорошей проводимостью, такие как сажа, графитовый порошок, углеродные нанотрубки и графен.

(4) Связующее: такое же, как у литий-ионного аккумулятора

Функция связующего состоит в том, чтобы объединить материал электрода, проводящий агент и токосъемник, чтобы сделать законченный полюсный наконечник, который можно использовать. Материал, используемый в качестве связующего, должен обладать хорошей стабильностью, быть легко обрабатываемым и иметь низкую стоимость. Обычно используемые связующие для натрий-ионных аккумуляторов аналогичны литий-ионным аккумуляторам, в основном из прочных полярных полимеров, таких как поливинилиденфторид (PVDF), альгинат натрия (SA), полиакриловая кислота (PAA), натрий-карбоксиметилцеллюлоза (CMC), политетрафторэтилен (PTFE). , так далее.

Производственный процесс и маршрут: в том же духе, что и литиевые батареи

1.3.1. Синтез электродного материала: только берлинская лазурь особенная

Метод синтеза катодного материала натрий-ионной батареи должен определяться в соответствии с конкретной категорией материала, которая в основном делится на метод твердофазной реакции и метод жидкофазного синтеза. Оксидные и полианионные материалы могут быть синтезированы либо методом твердофазной реакции, либо методом жидкофазного синтеза. Процесс синтеза в основном такой же, как у соответствующих материалов для литий-ионных аккумуляторов, поэтому производственная линия может быть в определенной степени совместима. В настоящее время метод твердофазных реакций получил наибольшее распространение в промышленности. Однородность продукта, приготовленного этим способом, имеет определенные ограничения, но операция проста, а технологический процесс непродолжителен, что подходит для крупносерийного производства. Метод жидкофазного синтеза имеет высокую однородность продукта, но относительно дорог, требует мощного оборудования и большого количества сточных вод. Кроме того, существуют такие технологии, как золь-гель метод, метод микроволнового синтеза, метод распылительной сушки, метод ионного обмена и др., которые, как правило, имеют высокую стоимость и пока не подходят для промышленного производства.

1.3.2. Аккумуляторы собираются в группы: процесс сборки и классификация внешнего вида такие же, как у литий-ионных аккумуляторов.

Подобно литий-ионным батареям, производство натрий-ионных батарей также включает такие процессы, как варка, нанесение покрытия, сборка, впрыск жидкости и химическое формование. Среди них процесс сборки в основном заключается в объединении готовых положительных и отрицательных пластин через промежуточный слой диафрагмы, чтобы установить путь ионов натрия внутри батареи, и изолировать положительный и отрицательный электроды для предотвращения внутренних коротких замыканий. Процесс сборки следует технологии литий-ионных аккумуляторов и делится на процессы намотки и ламинирования. Первый далее делится на цилиндрическую обмотку и квадратную обмотку. Кроме того, структурный дизайн и процесс упаковки натрий-ионных аккумуляторов в основном аналогичны литий-ионным аккумуляторам, а внешний вид можно условно разделить на три категории: цилиндрический, мягкий и квадратный с твердым корпусом, каждый со своими преимуществами и недостатками.

Горизонтальное сравнение: натриевая батарея против литиевой батареи, поток жидкости, свинцово-кислотная батарея

По мере того, как индустриализация натрий-ионных аккумуляторов продвигается вперед, она неизбежно будет оказывать различное влияние на другие технологии вторичных аккумуляторов. В первую очередь несут на себе основной удар литий-ионные аккумуляторы, а также давно широко используемые на рынке проточные и свинцово-кислотные аккумуляторы. В этом разделе мы кратко прогнозируем будущую конкурентную среду натрий-ионных аккумуляторов посредством горизонтального сравнения между натрий-ионными аккумуляторами и тремя вышеуказанными аккумуляторными технологиями.

Натриевая батарея по сравнению с литиевой батареей: производительность, сравнимая с литий-железо-фосфатной батареей, комплексная экономическая эффективность или выше

Натрий-ионный аккумулятор является дополнением и расширением литий-ионного аккумулятора, а не полной заменой. Прежде всего, с точки зрения производительности существующая система литий-ионных аккумуляторов не идеальна: батареи с тройным катодом имеют высокую плотность энергии, но низкий срок службы; литий-железо-фосфатные батареи с катодом имеют большой срок службы, но низкую плотность энергии; Катодные батареи из манганата лития Рабочее напряжение высокое, но плотность энергии и срок службы низкие. Кроме того, литий-ионные батареи склонны к резкому снижению емкости при низких температурах, что требует системы контроля температуры, которая потребляет не менее 5% энергии аккумуляторной системы и увеличивает стоимость производства. Напротив, плотность энергии существующей натрий-ионной аккумуляторной системы приблизилась к плотности энергии литий-железо-фосфата; хотя срок службы не так хорош, как у фосфата лития-железа, он значительно лучше, чем у тройных материалов и манганата лития.

Во-вторых, с точки зрения безопасности, поскольку начальная температура теплового разгона натрий-ионного аккумулятора немного выше, чем у литий-ионного аккумулятора, безопасность на уровне элемента была повышена, но в обоих аккумуляторах необходимо использовать легковоспламеняющиеся органические вещества. электролитов, существует риск дефлаграции в условиях теплового разгона. Судя по текущим разрушительным экспериментам, таким как прокол ячейки, фактическая безопасность натрий-ионной батареи может быть аналогична безопасности литий-железо-фосфатной батареи.

Наконец, с точки зрения стоимости, натрий-ионный аккумулятор может эффективно снизить стоимость сырья. Во-первых, соединения лития в активных материалах (катод, электролит) заменены соединениями натрия в целом, а дешевые металлы, такие как железо и марганец, в значительной степени заменили в катоде более дорогие металлы, такие как кобальт и никель; во-вторых, металлический натрий не образует с металлическим алюминием. Эвтектический сплав, как положительные, так и отрицательные токосъемники могут быть изготовлены из дешевой алюминиевой фольги, заменяя более дорогие медные токосъемники отрицательного электрода в оригинальной литий-ионной батарее; в-третьих, потому что радиус Стокса ионов натрия меньше, чем у ионов лития, поэтому количество растворенного вещества в электролите может быть значительно уменьшено. В будущем натрий-ионные батареи, вероятно, сформируют прочные конкурентные отношения с литий-железо-фосфатными батареями, особенно в альпийских регионах; литий-ионные батареи будут продолжать развиваться в направлении высокой плотности энергии и высокого рабочего напряжения и постепенно превращаться в полностью твердотельные батареи и т. д. Итерации новых технологий.

Электроэнергия натрия против потока жидкости: преимущества и недостатки в значительной степени дополняют друг друга или стоят рядом на рынке хранения энергии

Натрий-ионная батарея и проточная батарея имеют сильную взаимодополняемость, первая подходит для небольшого и гибкого хранения энергии, а вторая подходит для хранения энергии в больших и средних масштабах. Проточная батарея – это жидкофазный (преимущественно водофазная система) электрохимический накопитель энергии, отличающийся тем, что активное рабочее вещество растворено в электролите, а запасание и выделение энергии осуществляются за счет изменения валентного состояния окисления активный материал. К представителям относятся полностью ванадиевые проточные батареи, железо-хромовые проточные батареи и проточные цинк-бромные батареи. Самое большое преимущество проточной батареи заключается в внутренней безопасности ее водной системы и сверхдлительном сроке службы, что особенно подходит для средних и крупных электрохимических накопителей энергии, но недостатками являются низкая плотность энергии и узкая рабочая температура. диапазон, поэтому его трудно миниатюризировать или применить к альпийским регионам. Напротив, плотность энергии натрий-ионной батареи примерно в три раза больше, чем у проточной батареи, и она может выдерживать низкую температуру -40 ° C, но ее внутренняя безопасность и срок службы не так хороши, как у проточной батареи. Ожидается, что в будущем натрий-ионная батарея и проточная батарея будут дополнять друг друга в области накопления энергии. Например, бытовые и мобильные небольшие накопители энергии предъявляют повышенные требования к плотности энергии и подходят для использования натрий-ионных аккумуляторов; крупные и средние электрохимические аккумуляторные электростанции предъявляют повышенные требования к безопасности и подходят для использования проточных аккумуляторов.

Натриевая батарея против свинцово-кислотной: постепенно заменяйте традиционные свинцово-кислотные, заставляя последние итеративно модернизироваться

Ожидается, что натрий-ионные батареи постепенно заменят традиционные свинцово-кислотные батареи, что приведет к разработке новых технологий, таких как свинцово-угольные батареи. Промышленное применение свинцово-кислотных аккумуляторов насчитывает более полутора столетий, и его промышленный замкнутый цикл «производство-потребление-переработка» полностью завершен. Преимуществами являются низкая стоимость, простота переработки и хорошая безопасность. Недостатки — низкая плотность энергии, малый срок службы, долгая зарядка. В настоящее время свинцово-кислотные аккумуляторы постоянно развиваются и модернизируются. Наиболее представительным из них является «свинцово-углеродная батарея», в которой используется технология суперконденсаторов. Его срок службы достигает 3,000 циклов, он имеет возможность быстрой зарядки и сохраняет характеристики оригинального свинцово-кислотного аккумулятора. Безопасность и другие преимущества, но плотность энергии дополнительно снижается, а стоимость изготовления соответственно увеличивается. Напротив, большая часть производительности натрий-ионных аккумуляторов лучше, чем у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов. В будущем, по мере дальнейшего снижения стоимости, ожидается постепенная замена традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов. В то же время появление натрий-ионных аккумуляторов может косвенно ускорить процесс модернизации и перехода от традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов к свинцово-угольным аккумуляторам. В будущем свинцово-кислотные аккумуляторы могут возродиться в виде свинцово-угольных аккумуляторов, а не полностью уйти с исторической сцены. (Источник отчета: Report Institute)

Статус отрасли натриевых батарей

В настоящее время во всем мире насчитывается около 30 компаний, занимающихся производством натрий-ионных аккумуляторов. Поскольку плюсы и минусы технических маршрутов до сих пор неубедительны, а единого стандарта нет, конкуренция разных предприятий по сути является конкуренцией разных технических маршрутов. Хотя история исследований натрий-ионных аккумуляторов длится уже полвека, их реальное быстрое развитие произошло в последнее десятилетие благодаря важным прорывам в исследованиях и разработках электродных материалов. Мы считаем, что отрасль все еще будет находиться на стадии перехода от периода внедрения к периоду роста в ближайшие 3 года.

Промышленная структура: похожа на литий-ионные батареи

Промышленная цепочка натрий-ионных аккумуляторов аналогична литий-ионным аккумуляторам, в том числе вверх по течению, в середине и в конце потока. Upstream: поставка сырья и синтез электродных материалов, основное сырье включает кальцинированную соду, алюминиевую фольгу, марганцевую руду и т. Д., А также различные вспомогательные материалы, включая основные химические вещества и цветные металлы и другие отрасли промышленности. Midstream: упаковка элементов, создание и интеграция аккумуляторных систем и т. д., включая различные расходные материалы и электронные компоненты. Downstream: Рынки конечного использования, в основном включая накопители энергии и низкоскоростные электромобили.

Крупнейшие компании: В мире более 20 компаний, среди которых преобладают китайские компании.

Компании, связанные с натрий-ионными батареями в стране и за рубежом, были созданы (или вышли на рынок) после 2010 года. В настоящее время в мире насчитывается более 20 связанных компаний, в основном расположенных в Китае, США, Европе и Японии. Большинство из них — начинающие компании. Технологические исследования и разработки и стратегический план являются основными, и масштаб еще не сформирован.

3.2.1. Внутренний: Чжунке Хайна много накопил, и эпоха Ниндэ взяла на себя инициативу
Исследования и индустриализация ионно-натриевых батарей моей страны лидируют в мире. Отечественные предприятия по производству натрий-ионных аккумуляторов можно разделить на две категории: первое предприятие, созданное по собственной технологии научно-исследовательских институтов, представленных Чжунке Хайна; другой зрелые компании литий-ионных аккумуляторов вступили в трек ионно-натриевых аккумуляторов для участия в конкурсе, представленном эпохой Ниндэ.

Компания Zhongke Haina, основанная в 2017 году, является первым высокотехнологичным предприятием в Китае, специализирующимся на разработке и производстве натрий-ионных аккумуляторов. Он был разработан Институтом физики Китайской академии наук и имеет группу исследований и разработок под руководством академика Чена Лицюаня и исследователя Ху Юншэна. , является одной из немногих компаний по производству аккумуляторов с основными запатентованными технологиями во всех областях натрий-ионных аккумуляторов, запустила ряд демонстрационных проектов и начала строительство первой производственной линии мощностью 1 ГВтч. Как технологическое предприятие, основанное Институтом физики Китайской академии наук, Zhongke Haina обладает сильными инновационными возможностями и освоила все области от фундаментальных исследований и разработки активных материалов до масштабного производства, от материалов до батарей, от отдельных элементов до батарей. модулей и от компонентов батареи до приложений. технологии.

Компания Ben'an Energy, основанная в 2017 году, является высокотехнологичным многонациональным предприятием, в основном занимающимся исследованиями, разработками и производством натрий-ионных аккумуляторов для систем водоснабжения. Компания имеет глобальные научно-исследовательские центры в Сингапуре, Китае и США для проведения исследований и разработок материалов, элементов и конструкций для натрий-ионных аккумуляторов на водной основе; региональные компании в Китае, США и Австралии отвечают за производство аккумуляторных материалов и региональный рынок. Компания специализируется на области применения стационарных накопителей энергии. Продукты имеют характеристики высокой искробезопасности, защиты окружающей среды и нетоксичности. Они особенно подходят для электростанций аккумулирования энергии в густонаселенных городских районах, а также подходят для размещения внутри помещений; они также подходят для длительной работы на плаву. , может широко использоваться в промышленной системе резервного питания.

3.2.2. За рубежом: большинство из них представляют собой стартапы небольшого масштаба и сильно ориентированные на будущее.

Зарубежные предприятия по производству ионно-натриевых аккумуляторов в основном расположены в развитых странах, таких как Европа, Америка и Япония. Компании используют различные системы материалов и технические маршруты. Большинство этих предприятий имеют относительно короткое время создания и ограниченные масштабы производства, но их технологии очень перспективны.

Британская компания Faradion в основном продвигает катоды со слоистым оксидом. Основанная в 2011 году, компания является первым в мире коммерческим предприятием по производству натрий-ионных аккумуляторов и в настоящее время владеет 31 патентом на натрий-ионные аккумуляторы, охватывая материалы для аккумуляторов, инфраструктуру аккумуляторов, безопасность и транспортировку аккумуляторов и т. д. Компания уделяет большое внимание стоимости продукции и плотности энергии. , с конечной целью обеспечения производительности литий-ионных аккумуляторов по цене свинцово-кислотных аккумуляторов. В конце 2021 года компания была приобретена индийской Reliance New Energy Solar Limited (RNESL) за 100 миллионов фунтов стерлингов, которая также инвестирует 25 миллионов фунтов стерлингов в качестве капитала для ускорения коммерческого развертывания натрий-ионной батареи.

Компания Natron Energy в Соединенных Штатах в основном продвигает ионно-натриевый аккумулятор системы водоснабжения. Основанная в 2012 году, компания является предприятием, которое разрабатывает и производит натрий-ионные аккумуляторы на водной основе, в основном продвигая катодные материалы из берлинской лазури. Компания придает большое значение безопасности натрий-ионных аккумуляторов и не использует электролиты на органических растворителях. Его продукция чрезвычайно безопасна и имеет длительный срок службы. Плотность мощности лишь немного ниже, чем у ионно-литиевых аккумуляторов, но плотность энергии сравнима только с плотностью энергии свинцовых аккумуляторов, в основном для статического электричества. Приложения для хранения энергии (станции быстрой зарядки для центров обработки данных, вилочные погрузчики и электромобили). В настоящее время его натрий-ионная батарея изначально коммерциализирована, а пилотная производственная линия работает в Санта-Кларе, Калифорния. Следующая цель — расширить производство и сформировать цепочку производства ионно-натриевых аккумуляторов.

Будущее развитие: в полной мере используйте ресурсы и сравнительные преимущества натриевого электричества.

Текущие проблемы: плохие материалы, высокая стоимость, неопределенные стандарты.

4.1.1. Необходимо продолжить исследования материалов: механизм твердого углерода, улучшение характеристик, оценка безопасности.

В настоящее время в академических кругах все еще существует много споров о механизме хранения натрия в твердом углероде, и он до конца не выяснен. Чтобы исправить дефекты существующего твердого углеродного анода, такие как низкая эффективность первого цикла, необходимо глубоко понять кинетический механизм его хранения натрия и предоставить наиболее фундаментальные теоретические рекомендации для технологических исследований и разработок. Существует еще много возможностей для улучшения свойств материала существующей натрий-ионной батареи. В целом, плотность энергии современной натрий-ионной батареи далека от теоретического значения, и ее цикличность также нуждается в дальнейшем улучшении. С одной стороны, требуется постоянное совершенствование активных материалов. С другой стороны, также необходимо учитывать общий дизайн системы и комплексное управление. Фактическая эксплуатационная безопасность натрий-ионной батареи требует тщательной оценки. В настоящее время эксперимент по проверке безопасности натрий-ионной батареи находится на уровне клеток. Результаты показывают, что, хотя безопасность высока, безопасность после фактической эксплуатации необходимо соблюдать в срочном порядке, и не рекомендуется быть слепо оптимистичным. В частности, положительный электрод берлинской лазури будет выделять высокотоксичные газы, такие как синильная кислота и цианид, в случае теплового разгона.

4.1.2. Преимущество в затратах еще предстоит реализовать: необходимы технологические исследования и разработки и экономия за счет масштаба.

Снижение затрат на натрий-ионный аккумулятор зависит от сокращения переменных затрат за счет непрерывной итерации технологии и разбавления постоянных затрат за счет массового производства. Теоретически натрий-ионный аккумулятор имеет большое преимущество в стоимости материалов, но фактическая общая стоимость текущего продукта составляет более 1 юаня/Втч, что выше, чем у литий-железо-фосфата. эффект масштаба. С одной стороны, типы электродных материалов и производственные процессы не стандартизированы, а у прекурсоров также отсутствует стабильная и надежная цепочка поставок, что приводит к низкому выходу и консистенции электродных материалов и высоким фактическим затратам. Улучшения технологических исследований. С другой стороны, цена производственного оборудования высока, а потери от амортизации велики, составляя около 20–30% производственных затрат, которые могут быть снижены только за счет массового производства.

4.1.3. Необходимо сформулировать технические стандарты: стандартизировать рыночный порядок и способствовать здоровому развитию.

Индустрии ионно-натриевых аккумуляторов необходимо установить единый научный стандарт для регулирования производственной деятельности предприятий и содействия здоровому и упорядоченному развитию отрасли. На данном этапе технические маршруты производителей, занимающихся НИОКР и производством натрий-ионных аккумуляторов, различаются, и ведутся большие споры о том, какой из них лучше. В настоящее время производители в основном ссылаются на литий-ионные батареи в сочетании с характеристиками натрий-ионных батарей и промышленными разработками, чтобы сформулировать стандарты или спецификации продукта, подходящие для их соответствующих компаний, и использовать это для руководства проектированием продукта и производственными процессами для обеспечения выхода продукта. и согласованность. В результате качество продукции и технический уровень разных предприятий неодинаковы. Унифицированная формулировка отраслевых технических стандартов может сыграть более важную роль в обеспечении лидерства в отрасли и является необходимой гарантией достижения эффекта масштаба. В частности, стандарты безопасности являются важной основой для ограничения качества продукции и важным средством регулирования рыночного порядка и содействия здоровому и устойчивому развитию отрасли.

Перспективы технологий: повышенная безопасность и более высокая удельная энергия


4.2.1. Ионно-натриевый аккумулятор на водной основе: искробезопасный ионно-натриевый аккумулятор

Замена органических электролитов водными электролитами может существенно повысить безопасность натрий-ионных аккумуляторов. Текущая натрий-ионная батарея продолжает систему органических электролитов литий-ионной батареи, поэтому невозможно принципиально избежать риска дефлаграции. Если его заменить водным раствором, это не только значительно повысит безопасность, но и упростит производственный процесс, сократив при этом производственный процесс. загрязнение окружающей среды. В настоящее время сообщается о большом количестве системных решений для натрий-ионных батарей на водной основе, среди которых система берлинской лазури имеет наилучшие характеристики цикла, и были начаты попытки индустриализации. Представительные компании включают Natron Energy и Ben'an Energy. В долгосрочной перспективе натрий-ионный аккумулятор на водной основе является очень перспективным направлением, особенно для хранения энергии.

4.2.2. Твердотельная натрий-ионная батарея: ионно-натриевая батарея с высокой плотностью энергии

Замена жидких органических электролитов твердыми электролитами позволяет производить твердотельные натрий-ионные батареи. Из-за отказа от горючих и взрывоопасных органических растворителей безопасность батареи была существенно повышена, а электрохимическое окно значительно расширено, что позволило использовать высокопотенциальные катодные материалы и металлические натриевые аноды, тем самым значительно улучшив энергопотребление. плотность всей батареи. . Кроме того, из-за жесткого барьера из твердого электролита между положительным и отрицательным электродами больше нет необходимости устанавливать отдельный сепаратор, а с помощью процесса с биполярным электродом плотность энергии системы батареи может быть дополнительно улучшена. Такие материалы в настоящее время сталкиваются с такими проблемами, как низкая проводимость при комнатной температуре и высокое сопротивление поверхности раздела, и их индустриализация потребует времени.

4.2.3. Анод соинтеркаляции с несколькими гостями: графит как универсальный анод

Графитовый анод также может обеспечить эффективную интеркаляцию и деинтеркаляцию ионов натрия в комплексе в «реакции совместной интеркаляции с несколькими гостями». Поскольку ΔG>0 реакции интеркаляции ионов натрия и графита, ионам натрия трудно эффективно интеркалировать между графитовыми слоями в карбонатных растворителях, поэтому трудно использовать графитовые отрицательные электроды. Действительно, в эфирных растворителях ионы натрия образуют координационные связи с атомами кислорода эфира, которые могут совместно внедряться между графитовыми слоями в виде координационных ионов. Эта «реакция совместного внедрения нескольких гостей» имеет важное просветительское значение. С одной стороны, это означает, что графитовый отрицательный электрод может также использоваться в качестве отрицательного электрода натрий-ионной батареи, таким образом разделяя производственную линию материала с литий-ионной батареей, что способствует крупномасштабному снижению затрат. С другой стороны, это открывает возможность для создания многозарядных ионных аккумуляторов нового поколения. Однако эфирные электролиты обладают слабой стабильностью и склонны вступать в реакцию с положительным электродом, что требует дальнейших углубленных исследований.

Facebook
Twitter
LinkedIn
Pinterest

Последние посты

Как определить, что литий-ионный аккумулятор неисправен
Блог

Как определить, что литий-ионный аккумулятор неисправен?

Введение. Литий-ионные аккумуляторы стали повсеместно распространены в нашем современном обществе: от смартфонов до электромобилей. Как потребители, мы в значительной степени полагаемся на эти устройства хранения энергии, чтобы наши устройства работали бесперебойно и эффективно. Однако многие из нас склонны упускать из виду важность мониторинга состояния наших литий-ионных батарей. Как и любой другой компонент, аккумуляторы

Подробнее »
Инвертор мощностью 3000 Вт
Блог

Сколько батарей вам нужно для инвертора мощностью 3000 Вт?

Введение Критическая роль выбора батарей для инверторов мощностью 3000 Вт Выбор правильного количества батарей для вашего инвертора мощностью 3000 Вт является важным решением, которое напрямую влияет на производительность и эффективность вашей энергосистемы. Аккумуляторы являются основой любой автономной или резервной системы электропитания, обеспечивая необходимый запас энергии для обеспечения непрерывной работы.

Подробнее »
ватт-часы в ампер-часы
Блог

Загадка напряжения: разобраться в тонкостях ватт-часов и ампер-часов

Введение Важность понимания ватт-часов и ампер-часов Понимание понятий ватт-часов и ампер-часов имеет первостепенное значение для понимания тонкостей энергопотребления и емкости аккумулятора. Эти единицы служат фундаментальными показателями в области электротехники, обеспечивая важную информацию об эффективности и производительности различных устройств. От

Подробнее »

Оставьте комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован. Обязательные поля помечены * *

Наверх

отправить заявку

отправить заявку

Вы получите ответ в течение 24 часов.