Ионы натрия привлекают внимание во всем мире как альтернатива ионам лития в перезаряжаемых батареях. Ионы натрия являются отличными носителями заряда, как вы можете видеть из этого простого эксперимента с батарейкой из хлорида натрия и воды.
Мировые лидеры аккумуляторной промышленности делают большие ставки на натрий-ионные аккумуляторы как на будущую основу экологически чистой промышленной энергетики. Если вы посмотрите на мир 10 крупнейших производителей натрий-ионных аккумуляторов, вы заметите, что в их число также входят крупнейшие производители литий-ионных аккумуляторов.
Поскольку химический состав натрий-ионных и литий-ионных аккумуляторов схож, производители используют проверенные литий-ионные ноу-хау и производственное оборудование для быстрой разработки натрий-ионных аккумуляторов. Хорошим примером является китайская компания Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL), которая является одной из топ10 Литий-ионные аккумуляторы производители в Китае. CATL запустила свой Натрий-ионный аккумулятор первого поколения с плотностью энергии 160 Втч/кг..
Поскольку натрий-ионные батареи крупнее эквивалентных литий-ионных, в настоящее время они не идеальны для электромобилей. Следовательно, производители ориентируются на рынок хранения энергии, где размер не имеет значения, но ключевыми факторами являются стоимость, производительность и безопасные цепочки поставок. Ученые полагают, что Натрий-ионные аккумуляторы — ответ на проблему хранения возобновляемой энергии.
В будущем можно ожидать, что натрий-ионные батареи станут легче и мощнее. Это означает, что эти аккумуляторы станут привлекательными для рынка электромобилей. Однако вы могли заметить, что в последнее время рынок электромобилей не был устойчивым. Во всем мире рынок электромобилей испытывает спад из-за их высокой стоимости, отсутствия инфраструктуры для подзарядки и, во многих случаях, отмены налоговых стимулов. Дальше, Литий-ионные батареи могут быть вытеснены водородными топливными элементами в транспортном секторе. Поскольку литий-ионные технологии применяются только в небольшом электронном оборудовании, натрий-ионные технологии могут продвинуться вперед в долгосрочной перспективе.
Что такое натрий-ионная батарея?
Ионно-натриевая батарея — это перезаряжаемая батарея, в которой ионы натрия используются для транспортировки электрического заряда внутри батареи. Ионы натрия перемещаются между анодом и катодом, неся внутренний ток элемента, во время каждого цикла зарядки и разрядки.
Как работает ионно-натриевая батарея?
Вы можете увидеть принцип, лежащий в основе натрий-ионной батареи на рисунке 1. Основными рабочими частями аккумулятора являются:
- Анод, представляющий собой пористую электрод и содержит множество ионизируемых атомов натрия на своей поверхности;
- Катод, который также представляет собой пористый электрод с достаточной площадью поверхности для приема ионов натрия, поступающих от анода;
- Пористый сепаратор, который предотвращает физический контакт между анодом и катодом, но позволяет ионам натрия перемещаться между анодом и катодом;
- Жидкий электролит, содержащий растворенные соли натрия. электролит действует как резервуар ионов натрия, которые запускают внутренний ток, когда между электродами создается разность потенциалов.
На рисунке 1 желтые шарики представляют положительно заряженные ионы натрия, а красные шарики представляют нейтральные атомы натрия. Каждый нейтральный атом натрия становится положительно заряженным ионом, когда электрон вырывается из его внешней электронной оболочки.
Таким образом, как только через зарядное устройство или батарею большего размера подается внешнее напряжение, электроны вырываются из атомов натрия, прикрепленных к аноду. Эти электроны попадают во внешнюю цепь и достигают катода. Катод приобретает отрицательный потенциал из-за накопления электронов.
Одновременно атомы натрия на аноде, потеряв по одному электрону, становятся положительными ионами и покидают анод. Из-за разности потенциалов они проходят через электролит к катоду. На катоде положительные ионы натрия нейтрализуются электронами, попадающими туда из внешней цепи. Образующиеся нейтральные атомы натрия остаются на катоде на оставшуюся часть цикла зарядки.
Когда подключается внешняя нагрузка и батарея разряжается, для ионов натрия, находящихся на катоде, начинается обратный путь. Ионы натрия возвращаются к аноду через электролит, а электроны от катода проходят через внешнюю нагрузку к аноду. Попадая на анод, ионы натрия нейтрализуются электронами, поступающими из внешней цепи. Нейтральные атомы натрия остаются на аноде на протяжении оставшейся части цикла разряда. Таким образом, вся жизнь ионов натрия в этом типе аккумуляторной батареи тратится на перемещение между анодом и катодом!
Максимальная плотность движения ионов натрия зависит от свойств электролита, а также конструкции анода и катода. Это важные параметры при проектировании аккумуляторов, определяющие плотность энергии и ток.
Приложения
Эксперты считают, что идеальное применение натрий-ионным батареям – это стационарные приложения для хранения энергии в возобновляемых источниках энергии и промышленности, НАИМА Проект в Европейском союзе направлен на разработку двух конфигураций экологически чистых и безопасных натрий-ионных элементов для сектора хранения энергии.
Между тем, первое в мире коммерческое внедрение натрий-ионных аккумуляторов в автомобильном секторе было осуществлено в Китае. А совместное предприятие JAC из Китая и Volkswagen из Германии представила пятиместный пассажирский автомобиль с ионно-натриевым аккумулятором мощностью 25 кВтч и запасом хода 250 км.
Натрий-ионные аккумуляторы также рассматриваются для персональных электронных устройств., таких как ноутбуки и мобильные телефоны. Хотя они тяжелее литий-ионных аккумуляторов, они дешевле и безопаснее, что является важным фактором для потребителя.
Другое применение натрий-ионных аккумуляторов – в системах резервного электропитания, например, в ИБП Natron Energy .
Как ионно-натриевые батареи меняют игру:
Натрий-ионные аккумуляторы принесут много преимуществ на рынок аккумуляторных батарей. К ним относятся:
Повышенная безопасность
По сравнению с литий-ионными батареями, натрий-ионные батареи менее склонны к возгоранию. Будущие поколения ионов натрия могут использовать твердотельные электролиты, которые будут абсолютно свободны от этой опасности. Например, Австралийские исследователи разработали негорючий твердый полимерный электролит, для использования с ионно-натриевыми аккумуляторами. Также исследуются различные другие стратегии снижения тепловых рисков, связанных с натрий-ионными батареями, в том числе выбор материалов для повышения безопасности.
Низкая стоимость
Стоимость Натрий-ионных аккумуляторов за кВтч составляет менее одной трети от литий-ионных аккумуляторов. Из-за стоимости сырья.
Снижение риска в цепочке поставок
В отличие от лития, который добывают и очищают лишь в нескольких странах, натрий легко доступен во всем мире. Это значительно снижает риски в цепочке поставок сырья.
Натрий-ионный аккумулятор против литий-ионного аккумулятора
Как потребитель или инвестор, если бы вам пришлось сделать выбор между ними, какой путь вы бы выбрали? Как потребитель вы будете смотреть на непосредственные выгоды и характеристики производительности, тогда как как инвестор вы будете смотреть на более крупные и долгосрочные проблемы.
Давайте сравним два типа батарей по нескольким ключевым параметрам, актуальным как для потребителей, так и для инвесторов.
| Параметр | Литий-ионный аккумулятор | Натрий-ионная батарея |
| Зрелость технологий и цепочек поставок | Технологии развиты, существуют налаженные глобальные цепочки поставок. | Технология первого поколения коммерциализирована. Ограниченные цепочки поставок. |
| Цена | ~ 130–180 долларов США/кВтч | ~ $40-$55/кВтч |
| Сохранность | Высокий риск теплового выхода из-за возгорания материалов ячеек из-за неконтролируемого выделения тепла. | Для ионно-натриевых батарей существует риск термического выхода из-под контроля, но в будущем может быть устранено путем выбора материалов и конструкции ячеек. |
| Плотность энергии | 150–250 Втч/кг | 100-160 Втч / кг |
| напряжение | 3.0 ~ 4.5 В | 2.8 ~ 3.5 В |
| Хранение без оплаты | Не рекомендуется, сокращает срок службы батареи. | Разрешенный. Не повлияет на срок службы батареи |
| Риск цепочки поставок | Высокий, поскольку из-за поставок лития переработка сконцентрирована в нескольких странах. | Риск низкий, поскольку натрий широко доступен и его очистка проста. |
Натрий-ионные аккумуляторы – настоящее и будущее
Натрий-ионные аккумуляторы появились в нужное время, когда мировое внимание сосредоточено на декарбонизации энергетики. Натрий-ионные аккумуляторы первого поколения уже продемонстрировали ряд преимуществ перед литий-ионными, особенно по параметрам стоимости и безопасности.
Однако текущий спрос на такие аккумуляторные батареи обусловлен электромобилями и персональными электронными устройствами, где литиевые батареи доминируют на рынке. Из-за меньшей удельной мощности и большего веса натрий-ионным аккумуляторам будет сложно конкурировать с аккумуляторами первого поколения. Следовательно, много усилий в области исследований и разработок направлено на улучшение удельной мощности ионно-натриевых батарей. На самом деле прорыв может быть близок, поскольку CATL объявила, что ее натрий-ионная батарея следующего поколения будет достигать 200 кВтч/кг.. Повышение плотности энергии по конкурентоспособным ценам будет бесконечной проблемой для всех типов батарей. Например, компания CATL снова задает темп, работая над футуристическим литиевым процессором. Конденсатная батарея 500 кВтч/кг.
В среднесрочной перспективе увеличение инвестиций в возобновляемую энергетику со стороны стран всего мира приведет к увеличению спроса на системы хранения энергии. Производители натрий-ионных аккумуляторов считают это лучшим вариантом, когда он станет популярным.
Помимо энергии и плотности мощности, технология натрий-ионных аккумуляторов продолжает развиваться, чтобы сократить разрыв с литий-ионной технологией. Ученые решают проблемы, связанные с деградацией материалов, разрабатывают более дешевые и лучшие аноды, катоды и электролиты, повышают безопасность и возможность переработки.
Цепочки поставок ионно-натриевых аккумуляторов также должны расширяться, для чего необходимо сделать необходимые инвестиции.
В заключение отметим, что натрий-ионные аккумуляторы стали серьезным конкурентом своим литий-ионным аналогам. Однако потребуются многие годы разработок и коммерческого успеха, прежде чем можно будет сказать, что натрий-ионные батареи представляют собой будущее энергетики.
