เหตุใดแบตเตอรี่โซเดียมไอออนซึ่งไม่ติดไฟหรือระเบิดจึงไม่เปลี่ยนแบตเตอรี่ลิเธียม

โซเดียมไอออนกำลังได้รับความสนใจทั่วโลกในแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ซึ่งเป็นทางเลือกแทนลิเธียมไอออน โซเดียมไอออนเป็นตัวพาประจุที่ดีเยี่ยม ดังที่คุณเห็นได้จากการทดลองโซเดียมคลอไรด์และแบตเตอรี่น้ำง่ายๆ นี้

ผู้นำระดับโลกในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่กำลังวางเดิมพันครั้งใหญ่กับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนในฐานะกระดูกสันหลังของพลังงานอุตสาหกรรมสีเขียวในอนาคต หากคุณมองโลกในแง่ดี ผู้ผลิตแบตเตอรี่โซเดียมไอออน 10 อันดับแรกคุณจะสังเกตเห็นว่าพวกเขายังรวมถึงผู้ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรายใหญ่ที่สุดด้วย

เนื่องจากเคมีของโซเดียมไอออนและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความคล้ายคลึงกัน ผู้ผลิตจึงใช้ประโยชน์จากความรู้ความชำนาญเกี่ยวกับลิเธียมไอออนและอุปกรณ์การผลิตที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว เพื่อการพัฒนาแบตเตอรี่โซเดียมไอออนอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างที่ดีคือ Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) ของจีน ซึ่งเป็นหนึ่งใน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 10 อันดับแรก ผู้ผลิตในประเทศจีน CATL ได้เปิดตัว แบตเตอรี่โซเดียมไอออนรุ่นแรกที่มีความหนาแน่นพลังงาน 160 Wh/kg.

เนื่องจากแบตเตอรี่โซเดียมไอออนมีขนาดใหญ่กว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เทียบเท่ากัน จึงไม่เหมาะสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบัน ดังนั้น ผู้ผลิตจึงตั้งเป้าหมายไปที่ตลาดการจัดเก็บพลังงาน ซึ่งขนาดไม่สำคัญ แต่ต้นทุน ประสิทธิภาพ และห่วงโซ่อุปทานที่ปลอดภัยถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญ นักวิทยาศาสตร์เชื่ออย่างนั้น แบตเตอรี่โซเดียมไอออนคือคำตอบสำหรับความท้าทายในการจัดเก็บพลังงานทดแทน.

ในอนาคต คุณสามารถคาดหวังได้ว่าแบตเตอรี่โซเดียมไอออนจะเบาลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่เหล่านี้จะน่าสนใจสำหรับตลาดรถยนต์ไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม คุณอาจสังเกตเห็นว่าในช่วงนี้ตลาดรถยนต์ไฟฟ้ายังไม่แข็งแกร่ง ตลาดรถยนต์ไฟฟ้าทั่วโลกตกต่ำลง เนื่องจากมีต้นทุนสูง ขาดโครงสร้างพื้นฐานในการชาร์จ และในหลายกรณี การถอนสิ่งจูงใจทางการเงิน ไกลออกไป, แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจถูกแทนที่โดยเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในภาคการขนส่ง. เนื่องจากลิเธียมไอออนจำกัดอยู่เฉพาะในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก เทคโนโลยีโซเดียมไอออนจึงสามารถก้าวไปข้างหน้าได้ในระยะยาว

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนคืออะไร?

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนคือแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ซึ่งใช้โซเดียมไอออนเพื่อขนส่งประจุไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่ โซเดียมไอออนกระจัดกระจายระหว่างแอโนดและแคโทด โดยนำกระแสไฟฟ้าภายในเซลล์ไปในแต่ละรอบการชาร์จและคายประจุ

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนทำงานอย่างไร

คุณสามารถดู หลักการพื้นฐานของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน  ในรูปที่ 1 ส่วนการทำงานที่สำคัญของแบตเตอรี่คือ:

• ขั้วบวกซึ่งมีรูพรุน ขั้วไฟฟ้า และมีอะตอมโซเดียมที่สามารถแตกตัวเป็นไอออนได้มากมายบนพื้นผิว
• แคโทดซึ่งเป็นอิเล็กโทรดที่มีรูพรุนเช่นกัน โดยมีพื้นที่ผิวเพียงพอที่จะรับไอออนโซเดียมที่มาจากแอโนด
• ตัวแยกที่มีรูพรุนที่ป้องกันการสัมผัสทางกายภาพระหว่างแอโนดและแคโทด แต่ยอมให้โซเดียมไอออนส่งผ่านระหว่างแอโนดและแคโทด
• อิเล็กโทรไลต์เหลวที่มีเกลือโซเดียมละลาย ที่ อิเล็กโทร ทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บไอออนของโซเดียมซึ่งเริ่มต้นกระแสภายในเมื่อแรงดันไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดถูกสร้างขึ้น

ในรูปที่ 1 ลูกบอลสีเหลืองแสดงถึงไอออนโซเดียมที่มีประจุบวก ในขณะที่ลูกบอลสีแดงแสดงถึงอะตอมของโซเดียมที่เป็นกลาง อะตอมโซเดียมที่เป็นกลางแต่ละอะตอมจะกลายเป็นไอออนที่มีประจุบวก เมื่ออิเล็กตรอนถูกดึงออกมาจากเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกสุด

ดังนั้น เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกผ่านเครื่องชาร์จหรือแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ อิเล็กตรอนจะถูกดึงออกจากอะตอมของโซเดียมที่ติดอยู่กับขั้วบวก อิเล็กตรอนเหล่านี้จะไหลเข้าสู่วงจรภายนอกและไปถึงแคโทด แคโทดได้รับศักย์ไฟฟ้าเชิงลบเนื่องจากการสะสมของอิเล็กตรอน

ในเวลาเดียวกัน อะตอมของโซเดียมที่ขั้วบวกจะสูญเสียอิเล็กตรอนไปหนึ่งอิเล็กตรอน กลายเป็นไอออนบวกและออกจากขั้วบวกไป เนื่องจากความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น พวกมันเดินทางผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทด ที่แคโทด ไอออนโซเดียมบวกจะถูกทำให้เป็นกลางโดยอิเล็กตรอนที่ไปถึงที่นั่นจากวงจรภายนอก อะตอมของโซเดียมที่เป็นกลางซึ่งเป็นผลลัพธ์จะจอดตัวเองที่แคโทดในระหว่างส่วนที่เหลือของวงจรการชาร์จ

เมื่อมีการเชื่อมต่อโหลดภายนอกและแบตเตอรี่คายประจุ การเดินทางย้อนกลับจะเริ่มต้นสำหรับไอออนโซเดียมที่จอดอยู่ที่แคโทด ไอออนของโซเดียมเดินทางกลับไปยังแอโนดผ่านอิเล็กโทรไลต์ ในขณะที่อิเล็กตรอนจากแคโทดเดินทางผ่านภาระภายนอกไปยังแอโนด เมื่ออยู่ที่ขั้วบวก โซเดียมไอออนจะถูกทำให้เป็นกลางโดยอิเล็กตรอนที่เข้ามาจากวงจรภายนอก อะตอมของโซเดียมที่เป็นกลางจะจอดตัวเองที่แอโนดตลอดช่วงที่เหลือของวงจรการปล่อยประจุ ดังนั้น อายุการใช้งานทั้งหมดของไอออนโซเดียมในแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟประเภทนี้จึงถูกใช้ไปในการเปลี่ยนระหว่างขั้วบวกและแคโทด!

ความหนาแน่นการรับส่งข้อมูลสูงสุดของไอออนโซเดียมขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของอิเล็กโทรไลต์ตลอดจนโครงสร้างของแอโนดและแคโทด สิ่งเหล่านี้เป็นตัวแปรสำคัญในการออกแบบแบตเตอรี่ ซึ่งกำหนดความหนาแน่นของพลังงานและกระแสไฟฟ้า

การใช้งาน

ผู้เชี่ยวชาญเชื่อว่ามีการใช้งานที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออน การประยุกต์ใช้การจัดเก็บพลังงานนิ่งในภาคพลังงานทดแทนและภาคอุตสาหกรรม. นัยมา โครงการในสหภาพยุโรปมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาเซลล์โซเดียมไอออนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ปลอดภัย สองรูปแบบสำหรับภาคการจัดเก็บพลังงาน

ในขณะเดียวกัน การใช้งานแบตเตอรี่โซเดียมไอออนเชิงพาณิชย์ครั้งแรกของโลกในภาคยานยนต์ก็ประสบความสำเร็จในจีน ก การร่วมทุนระหว่าง JAC ของจีนและ Volkswagen ของเยอรมนี  เปิดตัวรถยนต์โดยสาร 25 ที่นั่งที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่โซเดียมไอออน 250 กิโลวัตต์ชั่วโมง วิ่งได้ XNUMX กม.

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนยังได้รับการพิจารณาสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนบุคคลอีกด้วยเช่นแล็ปท็อปและโทรศัพท์มือถือ แม้ว่าจะหนักกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่ก็มีราคาถูกและปลอดภัยกว่า ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญของผู้บริโภค

การใช้งานแบตเตอรี่โซเดียมไอออนอีกประการหนึ่งคือในระบบไฟฟ้าสำรอง เช่น ใน UPS ของ Natron Energy .

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนเปลี่ยนแปลงเกมอย่างไร:

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนจะก่อให้เกิดประโยชน์มากมายแก่ตลาดแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ซึ่งรวมถึง:

ความปลอดภัยที่สูงขึ้น

เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แบตเตอรี่โซเดียมไอออนมีโอกาสติดไฟน้อยกว่า โซเดียมไอออนรุ่นอนาคตอาจใช้อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตซึ่งจะปราศจากอันตรายนี้โดยสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น, นักวิจัยชาวออสเตรเลียได้พัฒนาอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งที่ไม่ติดไฟสำหรับใช้กับแบตเตอรี่โซเดียมไอออน นอกจากนี้ยังมีการตรวจสอบกลยุทธ์อื่นๆ อีกมากมายเพื่อลดความเสี่ยงด้านความร้อนของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ซึ่งรวมถึง การเลือกใช้วัสดุเพื่อความปลอดภัยที่ดีขึ้น.

ลดต้นทุน

ราคาแบตเตอรี่โซเดียมไอออนต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง น้อยกว่าหนึ่งในสามของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เนื่องจากต้นทุนวัตถุดิบ

ความเสี่ยงด้านซัพพลายเชนลดลง

ซึ่งแตกต่างจากลิเธียมซึ่งมีการขุดและกลั่นเพียงไม่กี่ประเทศ โซเดียมหาได้ง่ายทั่วโลก ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงในห่วงโซ่อุปทานวัตถุดิบได้อย่างมาก

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ในฐานะผู้บริโภคหรือนักลงทุน หากคุณต้องเลือกระหว่างสองสิ่งนี้ คุณจะเลือกทางใด คุณจะพิจารณาถึงผลประโยชน์และคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพในทันทีในฐานะผู้บริโภค ในขณะที่ในฐานะนักลงทุน คุณจะพิจารณาประเด็นที่ใหญ่กว่าและระยะยาว

เราจะเปรียบเทียบแบตเตอรี่ทั้งสองประเภทโดยใช้พารามิเตอร์หลักสองสามข้อที่เกี่ยวข้องกับผู้บริโภคและนักลงทุน

พารามิเตอร์	แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน	แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออน
ความสมบูรณ์ของเทคโนโลยีและห่วงโซ่อุปทาน	เทคโนโลยีมีความเป็นผู้ใหญ่ มีห่วงโซ่อุปทานระดับโลกที่จัดตั้งขึ้น	เทคโนโลยีรุ่นแรกถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ ห่วงโซ่อุปทานมีจำกัด
ราคา	~ $130 - $180/ กิโลวัตต์-ชั่วโมง	~ $40-$55/กิโลวัตต์-ชั่วโมง
ความปลอดภัย	มีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดการหนีความร้อนเนื่องจากวัสดุเซลล์ติดไฟจากการผลิตความร้อนที่ไม่สามารถควบคุมได้	มีความเสี่ยงที่จะหนีความร้อนจากแบตเตอรี่โซเดียมไอออนแต่สามารถกำจัดได้ด้วยการเลือกและการออกแบบวัสดุเซลล์ในอนาคต
ความหนาแน่นของพลังงาน	150 -250 วัตต์/กก	100-160 Wh / กก
แรงดันไฟฟ้า	3.0 ~ 4.5 โวลต์	2.8 ~ 3.5 โวลต์
การจัดเก็บโดยไม่มีค่าใช้จ่าย	ไม่แนะนำ จะทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่สั้นลง	ได้รับอนุญาต จะไม่ส่งผลต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่
ความเสี่ยงด้านซัพพลายเชน	สูง เนื่องจากลิเธียมจัดหาการกลั่นที่มีความเข้มข้นในบางประเทศ	ความเสี่ยงต่ำ เนื่องจากมีโซเดียมอยู่มากมายและการกลั่นกรองก็ทำได้ง่าย

แบตเตอรี่โซเดียมไอออน - ปัจจุบันและอนาคต

แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนเข้ามาในเวลาที่เหมาะสม เมื่อความสนใจทั่วโลกมุ่งเน้นไปที่การลดคาร์บอนของพลังงาน แบตเตอรี่โซเดียมไอออนรุ่นแรกได้แสดงให้เห็นข้อได้เปรียบเหนือลิเธียมไอออนหลายประการแล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านต้นทุนและความปลอดภัย

อย่างไรก็ตาม ความต้องการแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ในปัจจุบันนั้นได้รับแรงหนุนจากรถยนต์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนบุคคล ซึ่งแบตเตอรี่ลิเธียมครองตลาด เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่ต่ำกว่าและน้ำหนักที่มากขึ้น จึงเป็นเรื่องยากสำหรับโซเดียมไอออนที่จะแข่งขันโดยใช้แบตเตอรี่รุ่นแรก ดังนั้นความพยายามในการวิจัยและพัฒนาจำนวนมากจึงมุ่งไปที่การปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ในความเป็นจริงความก้าวหน้าอาจใกล้เข้ามาแล้วเนื่องจาก CATL ประกาศว่าแบตเตอรี่โซเดียมไอออนรุ่นต่อไปจะมีกำลังการผลิต 200 กิโลวัตต์ชั่วโมง/กก. การปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานด้วยต้นทุนที่แข่งขันได้ จะเป็นความท้าทายที่ไม่มีวันสิ้นสุดสำหรับแบตเตอรี่ทุกประเภท ตัวอย่างเช่น CATL กำลังก้าวไปข้างหน้าอีกครั้งด้วยการทำงานกับลิเธียมแห่งอนาคต แบตเตอรี่สสารควบแน่น 500 กิโลวัตต์/กก.  

ในระยะกลาง การลงทุนด้านพลังงานหมุนเวียนที่เพิ่มขึ้นของประเทศต่างๆ ทั่วโลกจะช่วยเพิ่มความต้องการระบบกักเก็บพลังงาน ผู้ผลิตแบตเตอรี่โซเดียมไอออนมองว่านี่เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดเมื่อเริ่มใช้งาน

นอกเหนือจากความหนาแน่นของพลังงานและพลังงานแล้ว เทคโนโลยีแบตเตอรี่โซเดียมไอออนยังมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เพื่อปิดช่องว่างด้วยเทคโนโลยีลิเธียมไอออน นักวิทยาศาสตร์กำลังแก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการย่อยสลายของวัสดุ การพัฒนาแอโนด แคโทด และอิเล็กโทรไลต์ที่มีราคาถูกลงและดีขึ้น ปรับปรุงความปลอดภัยและความสามารถในการรีไซเคิล

ห่วงโซ่อุปทานสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนยังต้องขยายออกไป ซึ่งต้องมีการลงทุนที่จำเป็น

โดยสรุป แบตเตอรี่โซเดียมไอออนกลายเป็นคู่แข่งสำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อย่างไรก็ตาม การพัฒนาและความสำเร็จเชิงพาณิชย์ต้องใช้เวลาหลายปีจึงจะพูดได้ว่าแบตเตอรี่โซเดียมไอออนเป็นตัวแทนของพลังงานแห่งอนาคต