baterya ng sodium ion noon at kasalukuyan

Teknikal na panimula: ang baterya ng sodium ion noon at kasalukuyan

Mga pangunahing konsepto at makasaysayang background: ang "kambal na kapatid" ng mga baterya ng lithium

Sa mga nagdaang taon, ang pagbuo ng malinis na enerhiya ay naging pinagkasunduan ng karamihan sa mga bansa sa mundo. naisulong pa nga ng aking bansa ang engrandeng layunin ng "carbon peaking at carbon neutrality". Ang malinis na enerhiya na mga teknolohiya sa pagbuo ng kuryente tulad ng solar energy, wind energy at tidal energy ay mabilis na nabuo. Ito ay may mga katangian ng pasulput-sulpot, random, at malakas na pag-asa sa heograpiya. Upang malutas ang mga limitasyon sa oras at espasyo ng bagong henerasyon ng kuryente ng enerhiya at pagbutihin ang rate ng paggamit ng bagong enerhiya, ang kahalagahan ng teknolohiya sa pag-iimbak ng enerhiya ay lalong naging prominente. Ayon sa mga paraan ng conversion at imbakan ng elektrikal na enerhiya, ang mga teknolohiya sa pag-iimbak ng enerhiya ay nahahati sa pisikal na pag-iimbak ng enerhiya, pag-iimbak ng enerhiya ng kemikal at pag-iimbak ng enerhiya ng electrochemical. Kabilang sa mga ito, ang electrochemical energy storage ay kinabibilangan ng pangalawang teknolohiya ng baterya at mga supercapacitor, na may mga katangian ng mataas na kahusayan sa conversion ng enerhiya at mabilis na bilis ng pagtugon. Lalo na ang teknolohiya ng pangalawang baterya ay mayroon ding mga pakinabang ng mataas na density ng enerhiya at madaling modularization.

Ang pangalawang baterya, na kilala rin bilang rechargeable na baterya o accumulator, ay isang device na gumagamit ng mga reversible chemical reaction at maaaring paulit-ulit na i-charge at i-discharge upang i-convert ang electrical energy at chemical energy sa isa't isa para makamit ang energy storage. Ang kakayahan ng pangalawang baterya na mag-imbak ng enerhiya ay ipinahayag ng density ng enerhiya (tinatawag ding tiyak na enerhiya), iyon ay, ang kabuuang enerhiya na maaaring ilabas ng baterya sa bawat yunit ng masa o volume, na produkto ng tiyak na kapasidad at ang average na boltahe ng paglabas. Ang tiyak na kapasidad ay theoretically tinutukoy ng molar mass ng mga sangkap na kalahok sa electrode reaksyon at ang bilang ng mga nakuha at nawala electron. Samakatuwid, mas malaki ang ratio ng charge-to-mass ng charge carrier, mas malaki ang theoretical specific capacity ng baterya. Sa teorya, ang boltahe ng paglabas ay pangunahing tinutukoy ng potensyal na pagkakaiba at panloob na paglaban ng positibo at negatibong mga materyales. Samakatuwid, kung mas mataas ang potensyal na positibong elektrod, mas mababa ang potensyal na negatibong elektrod, at mas maliit ang panloob na resistensya ng baterya, mas malaki ang boltahe ng paglabas. Pangalawa, ang charge carrier ay dapat may mahusay na transport capacity at kinetic activity, na direktang nakakaapekto sa rate ng kakayahan at power density ng baterya. Sa wakas, ang mga salik tulad ng reversibility ng electrode reactions at side reactions ay tumutukoy sa cycle performance at lifetime ng pangalawang baterya. Ang mga alkali metal na kinakatawan ng lithium ay may pinakamababang potensyal na redox electrode, malaking ion charge-to-mass ratio at mababang desolvation energy, kaya sinubukan ang mga ito bilang anode materials para sa pangalawang baterya noong 1960s. Ang mga naunang baterya ng lithium-ion ay gumamit ng metal lithium o lithium alloy bilang negatibong elektrod, at transition metal halides (tulad ng AgCl, CuCl, NiF2, atbp.) bilang positibong elektrod, ngunit ang mga positibong materyales ng elektrod ay may mahinang kondaktibiti, madaling matunaw, at ang dami ng charge at discharge ay nagbabago nang husto, at mahirap itong lutasin. Noong huling bahagi ng 1960s, ang mga transition metal-chalcogenide compound na kinakatawan ng TiS2 ay natagpuang may interlayer intercalation at deintercalation na mga kakayahan, na maaaring magamit bilang cathode materials para sa lithium-ion na mga baterya, at may mataas na electrical conductivity at electrochemical reactivity. 2.2 V, na may praktikal na halaga. Gayunpaman, ang mataas na aktibidad ng metal lithium ay ginagawang madalas ang aksidente sa baterya, na pinipilit ang mga tao na gumamit ng mga lithium intercalation compound (tulad ng lithium intercalation graphite) bilang negatibong elektrod. Ito ang konsepto ng "baterya ng rocking chair": gamit ang mababang intercalation potential compounds bilang negatibong electrodes, mataas Ang intercalation potential compound ay nagsisilbing positive electrode, iniiwasan ang problema ng alkali metal dendrites. Dahil ang potensyal ng negatibong elektrod ng lithium intercalation compound ay mas mataas kaysa sa metal na lithium, ang kabuuang boltahe at density ng enerhiya ng baterya ay nababawasan, na pumipilit sa mga tao na maghanap ng mga bagong positibong materyales sa elektrod, at sunud-sunod na natuklasan ang positibong elektrod. mga materyales tulad ng lithium cobaltate, lithium manganate at lithium iron phosphate.

Ang gastos at rate ng kakayahan ng sodium ion na baterya ay may mga pakinabang kaysa sa lithium ion na baterya. Ang sodium at lithium ay nasa parehong pamilya sa periodic table, may parehong bilang ng mga valence electron, at may mas aktibong mga katangian ng kemikal. Dahil ang atomic mass at radius ng sodium ay mas malaki kaysa sa lithium, ang density ng enerhiya ng sodium ion na baterya ay malinaw na mahirap ihambing sa mga lithium ion na baterya, ngunit ang natural na kasaganaan ng sodium ay sagana. Ang antas ng density ay higit sa isang libong beses kaysa sa lithium, at ang desolvation energy ng sodium ions ay mas mababa kaysa sa lithium ions. Ang sodium ion na baterya ay lumabas noong 1970s halos kasabay ng lithium ion na baterya, ngunit ang proseso ng pananaliksik ng dalawa ay bahagyang naiiba. Ang pangalawang baterya ng sodium na unang lumitaw sa oras na iyon ay isang baterya ng sodium-sulfur, na may elemental na sulfur at metallic sodium bilang positibo at negatibong mga electrodes, β-alumina fast ion conductor bilang solid electrolyte, at ang temperatura ng pagtatrabaho ay 300~350 ° C. Ang mataas na temperatura ng sodium-sulfur na baterya na ito ay may mataas na density ng enerhiya (150~240Wh/kg) at cycle life na 2500 beses, habang ang katulad na lithium-sulfur na baterya ay may cycle life na mas mababa sa 10 beses. Upang mapabuti ang kaligtasan ng mga pangalawang baterya ng sodium, ang mga baterya ng sodium ion sa temperatura ng silid ay binuo, gamit ang isang katulad na ideya sa mga baterya ng lithium ion, ang materyal ng cathode ay sumailalim sa layered transition metal sulfide (TiS2) sa layered oxide (NaxCoO2) ) at phosphate. (Na3M2(PO4)3, M ay isang transition metal). Ngunit noong huling bahagi ng dekada 1980, malamig ang pananaliksik sa baterya ng sodium ion, at halos tumigil ang kaugnay na pananaliksik. Mayroong tatlong mga dahilan para dito: una, mahirap makahanap ng angkop na materyal na anode (grapayt na maaaring mag-imbak ng lithium nang mahusay sa mga ester solvent ay mahirap mag-imbak ng sodium); pangalawa, ang mga kondisyon ng pananaliksik ay limitado (ang tubig at oxygen na nilalaman ng sistema ay mataas, at mahirap gamitin ang metal Sodium ay ginamit bilang benchmark elektrod para sa mga eksperimento sa pagsusuri ng materyal); pangatlo, ang mga baterya ng lithium-ion ay lumabas sa itaas (isang malaking bilang ng mga mananaliksik ang nakaangkla sa direksyon sa mga baterya ng lithium-ion).

Hanggang sa ika-21 siglo, ang baterya ng sodium ion ay nagsimula sa isang punto ng pagbabago. Noong 2000, napag-alaman na ang hard carbon material na nakuha ng pyrolysis ng glucose ay may tiyak na kapasidad ng imbakan ng sodium na kasing taas ng 300 mA h/g, na nagbibigay ng mahalagang anode na materyal para sa sodium ion na baterya. Noong 2007, natagpuan ang polyanion cathode material na Na2FePO4F, at ang dami ng deformation rate ng materyal na ito ay 3.7% lamang, na halos walang strain. Mula 2000 hanggang 2010, ang bilis ng pananaliksik ng baterya ng sodium ion ay medyo mabagal, higit sa lahat ay puro sa ilang mga eksperimentong koponan. Pagkatapos ng 2010, ang pananaliksik sa baterya ng sodium ion ay pumasok sa tagsibol, at ang mga bagong materyal na sistema ay umuusbong, at unti-unti nilang sinusubukang gawing industriyalisado.

Prinsipyo at materyales sa paggawa: katulad ng mga baterya ng lithium

Ang prinsipyo ng pagtatrabaho ng sodium ion na baterya ay eksaktong kapareho ng sa lithium ion na baterya, iyon ay, sa ilalim ng isang tiyak na potensyal na kondisyon, ang reversible desorption at intercalation ng guest alkali metal ions sa host material, kung saan ginagamit ang mas mataas na intercalation potential. bilang positibong elektrod, at ang mas mababang potensyal ng intercalation ay ginagamit bilang positibong elektrod. Ang negatibong elektrod, ang proseso ng pag-charge at pagdiskarga ng buong baterya ay ang round-trip na direksyon na proseso ng paglipat ng mga alkali metal ions sa pagitan ng positibo at negatibong mga electrodes. Ang baterya na may ganitong gumaganang mekanismo ay ang "batterya ng rocking chair" na iminungkahi ni M. Armand. Ang istraktura ng komposisyon ng baterya ng sodium ion ay eksaktong kapareho ng sa lithium ion, pangunahin kasama ang positibong elektrod, negatibong elektrod, electrolyte, separator at kasalukuyang kolektor. Ayon sa kung ang materyal na host ay direktang nakikilahok sa proseso ng electrochemical reaction, maaari silang nahahati sa mga aktibong materyales at hindi aktibong mga materyales.

Mga aktibong materyales: positibong elektrod, negatibong elektrod, electrolyte

Ang mga aktibong materyales ng sodium ion na baterya ay kinabibilangan ng positibong electrode material, negatibong electrode material at electrolyte material, na direktang lumahok sa electrochemical reaction at sa gayon ay tinutukoy ang mga intrinsic na katangian ng baterya. Dahil ang radius at electronic na istraktura ng mga sodium ions ay medyo naiiba mula sa mga lithium ions, ang thermodynamics at kinetic na pag-uugali ng mga reaksyon ay medyo naiiba, kaya ang pananaliksik at pag-unlad ng mga aktibong materyales para sa mga baterya ng sodium ion ay hindi maaaring ganap na gayahin ang mga baterya ng lithium ion.

(1) Cathode material: oxide, Prussian blue, polyanion tatlong pangunahing linya

Ang positibong materyal ng elektrod ay sumasailalim sa isang reaksyon ng oksihenasyon sa panahon ng pagsingil at isang reaksyon ng pagbabawas sa panahon ng paglabas, at sa pangkalahatan ay may mataas na potensyal na pagbawas. Ang perpektong materyal ng cathode ay dapat matugunan ang mga kinakailangan ng mataas na potensyal na pagbawas (ngunit dapat na mas mababa kaysa sa potensyal ng oksihenasyon ng electrolyte), malaking nababaligtad na kapasidad, matatag na pagganap ng cycle, mataas na electronic at ionic conductivity, matatag na istraktura at hindi natatakot sa hangin, mataas na kaligtasan , at mababang presyo. Para sa mga baterya ng sodium ion, ang teoretikal na tiyak na kapasidad ng mga umiiral na materyales ng cathode ay medyo mababa, kaya ito ay nagiging isa sa mga pangunahing determinant ng pangkalahatang kapasidad ng baterya. Sa kasalukuyan, ang mga materyales ng cathode ng mga baterya ng sodium ion ay pangunahing nahahati sa limang uri: oxides, polyanions, Prussian blue, fluoride, at organic compounds. Ang unang tatlong uri ay may pinakamataas na kapanahunan at pumasok sa maagang yugto ng industriyalisasyon. .

Oxides: ang pinaka-mature na teknolohiya, mataas na tiyak na kapasidad, at ang pinaka-masaganang uri

Ang mga materyal na cathode na nakabatay sa oxide ay karaniwang mga transition metal oxide, pangunahin na kasama ang mga layered oxide at tunnel oxide. Ang pananaliksik sa mga layered oxide ay ang pinakauna at pinakamalawak. Kung ikukumpara sa mga baterya ng lithium-ion, ang mga layered oxide cathode na may tatlong elemento lamang, Mn, Co, at Ni, ay may reversible electrochemical activity. Ang mga baterya ng Na-ion ay may mas malawak na hanay ng pagpili. Ang ikaapat na cycle Ang mga metal na transisyon mula sa Ti hanggang Ni ay may mataas na aktibidad, at ang kanilang mga mekanismo sa pagtatrabaho ay mas kumplikado, na kadalasang sinasamahan ng maramihang mga pag-uugali ng paglipat ng phase. Ang pangkalahatang formula ng mga layered oxide ay NaxMO2, kung saan ang M ay isang transition metal. Ang mga karaniwang uri ng istruktura ay pangunahing kasama ang uri ng O3 at uri ng P2. Ang una ay may mas mataas na tiyak na kapasidad ngunit mahinang rate at cycle ng pagganap; ang huli ay may mas mahusay na rate at cycle ng pagganap. , ngunit ang aktwal na tiyak na kapasidad ay bahagyang mas mababa. Bilang karagdagan, ang mga layered oxide ay malamang na madaling kapitan sa hygroscopic hydrolysis sa hangin. Sa yugtong ito, ang mga layered oxide ay may mataas na density ng enerhiya at mature na teknolohiya sa paghahanda, at inaasahang mangunguna sa industriyalisasyon, lalo na ang P2-type na layered oxide na may mas mahusay na katatagan. Ang mga tunnel-type na oxide ay may three-dimensional na pore structure at kadalasang matatagpuan sa mga oxide na may mababang sodium content. Mayroon silang mahusay na pagbibisikleta at pagganap ng rate at matatag sa tubig at oxygen, ngunit ang kanilang partikular na kapasidad ay masyadong mababa. Sa hinaharap, ang mga tunnel oxide ay maaaring magkaroon ng mga potensyal na mapagkumpitensyang bentahe sa pagsasaliksik at pagpapaunlad ng mga sodium-rich cathode at aqueous sodium ion na mga baterya.

Prussian blue: mababang gastos sa materyal, mataas na tiyak na kapasidad, mataas na teknikal na hadlang

Ang Prussian blue cathode na materyales ay mga transition metal cyanide coordination polymers na may pangkalahatang formula na AxM1 [M2 (CN)6]1-y·□y·nH2O, kung saan ang A ay isang alkali metal ion, ang M1 at M2 ay mga transition metal ions (coordinated sa N at C, ayon sa pagkakabanggit), □ ay isang depekto sa bakante sa [M2(CN)6]. Dahil sa natatanging elektronikong istraktura ng cyanide double coordination at ang bukas na tatlong-dimensional na espasyo, ang materyal ay may mga pakinabang ng matatag na istraktura, mabilis na intercalation at deintercalation rate, at malaking tiyak na kapasidad. Bilang karagdagan, ang mga pangunahing transisyon na metal ng naturang mga materyales ay pangunahing murang mga metal tulad ng Fe at Mn, at ang mga hilaw na materyales ay madaling makuha at mababa ang gastos. Gayunpaman, sa mga praktikal na aplikasyon, ang lattice water content (kabilang ang kristal na tubig at adsorbed na tubig) at bakanteng depekto na density ng materyal ay seryosong maghihigpit sa pagganap ng baterya, na magreresulta sa pagbawas ng paggamit ng kapasidad nito, kahusayan ng enerhiya at buhay ng ikot. Ito ay nagkakahalaga ng pagbanggit na kamakailan lamang ay natuklasan ng mga mananaliksik na ang sodium ion na baterya na gumagamit ng Prussian blue cathode na materyal ay maglalabas ng lubos na nakakalason na hydrogen cyanide at cyanide gas sa ilalim ng thermal runaway na mga kondisyon, at ang mekanismo ng thermal decomposition ay malapit na nauugnay sa lattice water at vacancy defects. Malapit na nauugnay, makikita na ang teknolohiyang ito ay may mas mataas na mga kinakailangan sa kalidad ng materyal. Bilang karagdagan, ang paghahanda ng materyal na ito ay nagsasangkot ng mataas na nakakalason na sodium cyanide, na nangangailangan ng mga espesyal na kwalipikasyon sa produksyon at supply.

Polyanion: ang pinakamahusay na kaligtasan, masyadong mababa ang tiyak na kapasidad, mataas na gastos sa materyal

Ang polyanion-based na mga cathode na materyales ay tumutukoy sa sodium-containing double salts na ang crystal framework ay binuo ng isang serye ng tetrahedral at polyhedral anion units, na may pangkalahatang formula na NaxMy(XaOb)zZw. , kung saan ang M ay isang cation tulad ng transition metal o alkaline earth metal, ang X ay isang mataas na electronegative na elemento tulad ng phosphorus o sulfur, at ang Z ay isang anion tulad ng fluorine o hydroxide. Ang mga anionic polyhedral unit ng ganitong uri ng materyal ay may malakas na covalent bonding, kaya ang kristal na istraktura ay napaka-stable, at ang chemical stability, thermal stability at electrochemical stability nito ay mataas, kaya maganda ang cycle ng buhay at kaligtasan nito. , at malapad ang boltahe platform nito. Pangalawa, ang mga valence electron ng transition metal ions ay may mataas na antas ng lokalisasyon, at ang elektronikong istrukturang ito ay madaling magamit ang inductive effect ng malakas na electronegative na mga elemento upang mapabuti ang gumaganang boltahe ng materyal. Gayunpaman, dahil sa katangian nitong malawak na bandgap, napakababa ng intrinsic na electronic conductivity, na lubos na naglilimita sa kakayahan ng rate nito at dapat baguhin sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga conductive agent o nanoscale. Bilang karagdagan, ang tiyak na kapasidad ng materyal na ito ay karaniwang mababa. Sa kasalukuyan, ang pinakakaraniwang polyanionic na materyales ay pangunahing mga pospeyt, na kinakatawan ng olivine-type na NaFePO4 at NASICON-type na Na3V2(PO4)3. Ang istraktura ng NaFePO4 ay kapareho ng sa lithium iron phosphate, ngunit ang synthesis ay dapat umasa sa isang kumplikadong paraan ng pagpapalitan ng ion, at ang gastos ay mataas. Ang Na3V2(PO4)3 ay may mahusay na pagganap ng rate at buhay ng ikot, ngunit ang tiyak na kapasidad ay mas mababa kaysa sa mga materyal na uri ng olivine. Bilang karagdagan, ang mga bagong polyanionic na materyales tulad ng pyrophosphate, sulfate, at molybdate ay nasa ilalim din ng pag-aaral. Ang mga system na ito ay nagpabuti ng operating boltahe at pagganap ng rate, ngunit mayroon pa ring maraming mga problema tulad ng mababang aktwal na tiyak na kapasidad at mahinang pagbabalik-balik ng cycle. depekto.

Fluoride: medyo murang materyales, mahirap praktikal

Ang mga transition metal fluoride ay may mataas na potensyal na pagbabawas na katulad ng mga oxide, at ang intercalation at deintercalation ng mga sodium ions ay maaaring makamit sa pamamagitan ng valence conversion ng mga transition metal ions, kaya ang mga ito ay mga potensyal na materyales ng cathode. Ang pinakamalaking problema ng ganitong uri ng materyal ay ang resistivity ay masyadong mataas, na seryosong nakakaapekto sa rate ng pagganap nito, at ang aktwal na tiyak na kapasidad ay karaniwang mababa. Sa ngayon, ang mga fluoride na materyales na may mas malaking tiyak na kapasidad ay iron-based fluoride, karaniwang kinakatawan ng NaFeF3 (aktwal na 128mAh/g, theoretical 197mAh/g). Bilang karagdagan, ang ilang hydrated iron fluoride na materyales ay may mataas na tiyak na kapasidad, tulad ng Fe2F5 H2O (initial 251 mAh/g), ngunit mahina pa rin ang cycle performance.

Mga organikong compound: hindi umaasa sa mga yamang mineral, nasa yugto pa rin ng pananaliksik

Ang ilang mga organikong compound na may masaganang conjugated system at nag-iisang pares ng mga electron ay maaaring sumailalim sa reversible redox reactions, kaya maaari din silang magamit upang bumuo ng mga materyales ng cathode. Ang mga bentahe ng ganitong uri ng materyal ay hindi nito kailangang umasa sa mga mapagkukunan ng paglipat ng metal, at ang istraktura at mga katangian nito ay madaling idisenyo at kontrolin, kaya mayroon itong tiyak na potensyal. Gayunpaman, mayroon pa ring makabuluhang mga depekto sa yugtong ito: ang kondaktibiti ay karaniwang mababa, at ito ay madaling matunaw. Sa kasalukuyan, mayroong pangunahing conjugated system conductive polymers (tulad ng binagong polyaniline, polypyrrole, atbp.), conjugated carbonyl compounds (tulad ng mga aromatic derivatives ng sodium phenate, sodium carboxylate) at iba pa.

(2) Anode materyales: carbon-based na mga materyales ay ang pinaka-mature at inaasahang mangunguna sa industriyalisasyon

Ang negatibong electrode na materyal ay sumasailalim sa isang reduction reaction habang nagcha-charge at isang oxidation reaction sa panahon ng discharge, at sa pangkalahatan ay may mas mababang potensyal na pagbawas. Ang perpektong materyal ng cathode ay dapat matugunan ang mga kinakailangan ng mababang potensyal na pagbawas (ngunit dapat na mas mataas kaysa sa potensyal ng pagtitiwalag ng metallic sodium), malaking nababaligtad na kapasidad, matatag na pagganap ng cycle, mataas na electronic at ionic conductivity, matatag na istraktura at hindi natatakot sa hangin, mataas na kaligtasan , at mababang presyo. Para sa isang baterya ng sodium ion, ang materyal na negatibong elektrod ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa paglo-load at pagpapakawala ng mga sodium ions, na direktang nakakaapekto sa pangkalahatang dynamic na pagganap ng baterya, tulad ng pagganap ng rate, density ng kapangyarihan, atbp. Sa kasalukuyan, ang mga anode na materyales ng sodium Ion baterya ay pangunahing nahahati sa limang uri: carbon-based na materyales, titanium-based na materyales, haluang metal materyales, organic compounds, at iba pang mga sistema. Kabilang sa mga ito, ang carbon-based na materyales ay may pinakamataas na teknolohikal na kapanahunan at mayaman sa mga mapagkukunan, at inaasahang mangunguna sa pagsasakatuparan ng industriyalisasyon. pagbabago.

Mga materyales na nakabatay sa carbon: ang malambot na carbon at hard carbon ay may sariling mga merito, at ang mga graphite negative electrodes ay pinag-aaralan pa rin

Ayon sa microstructure ng carbon atoms, ang carbon-based na anode materials ay nahahati sa graphite-based na materyales, amorphous carbon na materyales, at nano-carbon na materyales. Naiiba sa iba pang mga alkali metal ions, mahirap para sa mga sodium ions na epektibong mag-intercalate sa pagitan ng mga graphite layer sa mga carbonate solvents, na higit sa lahat ay dahil sa ΔG>0 ng sodium ion-graphite intercalation reaction. Samakatuwid, ang graphite anode, na malawakang ginagamit sa mga baterya ng lithium-ion, ay mahirap gamitin sa mga baterya ng sodium-ion na may carbonate bilang isang solvent. Sa katunayan, sa mga eter solvents, ang grapayt ay maaari ding epektibong magpasok at mag-alis ng mga sodium ions, ngunit ang katatagan ng electrolyte ay humina, at madaling tumugon sa positibong elektrod, na nangangailangan ng karagdagang pag-aaral. Ang mga materyal na amorphous na carbon ay may mataas na tiyak na kapasidad sa pag-iimbak ng sodium at sila rin ang mga anode na materyales na pinakamalapit sa industriyalisasyon sa kasalukuyan. Ayon sa kahirapan ng heat treatment graphitization, nahahati ito sa soft carbon at hard carbon. Ang malambot na carbon ay maaaring ganap na mai-graph sa mga temperaturang higit sa 2800 °C, at mahirap ding i-graphy ang matigas na carbon sa mataas na temperatura. Ang pagkakaiba sa pagitan ng malambot at matigas na carbon ay nakasalalay sa mga cross-linking na pakikipag-ugnayan ng mga layer ng carbon sa microstructure, na pangunahing nakadepende sa istraktura at hugis ng carbonization precursor na ginamit. Sa pangkalahatan, ang mga thermoplastic precursor (petrochemical raw na materyales at by-products) ay may posibilidad na bumuo ng malambot na carbon, habang ang thermosetting precursors (biomass, resin polymers, atbp.) ay may posibilidad na bumuo ng hard carbon. Sa relatibong pagsasalita, ang gastos sa pagmamanupaktura ng malambot na carbon ay mas mababa, ang proseso ay madaling kontrolin, ngunit ang tiyak na kapasidad ay hindi kasing ganda ng hard carbon; ang tiyak na kapasidad ng hard carbon ay mas mataas, ngunit ang kahusayan ng unang cycle ay madalas na mas mababa, at ang pagganap nito ay depende sa precursor na ginamit at ang paggamot. proseso, mababa ang carbon yield. Ito ay nagkakahalaga ng pagbanggit na ang mekanismo ng pag-iimbak ng sodium ng mga hard carbon na materyales ay hindi pa rin lubos na nauunawaan, at marami pa ring puwang para sa pagpapabuti. Pangunahing kasama sa mga carbon nanomaterial ang graphene at carbon nanotubes, at ang mga sodium ions ay pangunahing nakaimbak sa ibabaw nito at mga depekto sa pamamagitan ng adsorption. Ang teoretikal na tiyak na kapasidad ng mga materyales na ito ay malaki, ngunit ang unang linggo ng kahusayan ng Coulombic ay mababa, ang potensyal ng reaksyon ay mataas, at ang presyo ay mataas. mahal.

Mga materyales na batay sa titanium: natatanging potensyal na mga pakinabang, mahirap i-komersyal sa maikling panahon

Ang potensyal na pagbabawas ng tetravalent titanium ay karaniwang mababa, ang mga compound nito ay air-stable, at ang mga titanium compound na may iba't ibang mga istraktura ng kristal ay may iba't ibang mga potensyal na imbakan ng sodium, kaya ginagamit ang mga ito upang bumuo ng mga materyales ng anode. Sa kasalukuyan, ang mga materyales na nakabatay sa titanium ay higit sa lahat ay ilang mga titanium oxide at polyanionic compound. Kasama sa mga oxide ang layered Na2Ti3O7, Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 at spinel-type na Li4Ti5O12 (ginagamit din sa lithium-ion na mga negatibong electrodes ng baterya), atbp. Kasama sa mga polyanionic compound ang orthogonal NaTiOPO4, NASICON na uri ng NaTi2(PO4)3. Ang tiyak na kapasidad ng mga materyales na ito sa pangkalahatan ay hindi mataas, ngunit mayroon silang maraming natatanging pakinabang. Halimbawa, ang Li4Ti5O12 ay isang strain-free na materyal, ang Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 ay maaaring kumilos bilang parehong positibo at negatibong materyales, at NaTi2(PO4)3 ay Para sa water-based na sodium ion na baterya.

Mga materyales ng haluang metal: malaking teoretikal na tiyak na kapasidad, mga teknikal na paghihirap na malalampasan

Ang metal sodium ay maaaring bumuo ng mga haluang metal na may Sn, Sb, In at iba pang mga metal, at maaaring gamitin bilang negatibong elektrod ng sodium ion na baterya, na katulad ng negatibong electrode na nakabatay sa silicon ng lithium ion na baterya. Ang mga bentahe ng ganitong uri ng materyal ay mataas na teoretikal na tiyak na kapasidad at mababang potensyal na reaksyon, kaya inaasahan na gumawa ng mga baterya ng sodium ion na may mataas na density ng enerhiya at mataas na boltahe. Gayunpaman, ang mga kinetika ng reaksyon ng mga materyales na ito ay mahina, at ang pagbabago ng volume bago at pagkatapos ng sodium de-intercalation ay maaaring umabot ng maraming beses. Sa malaking stress, ang aktibong materyal ay madaling mahulog sa ibabaw ng kasalukuyang kolektor, at ang tiyak na kapasidad ay mabilis na nabubulok.

Mga organikong compound: banayad na kondisyon ng synthesis, nasa yugto pa rin ng pananaliksik

Ang mga pakinabang at disadvantages ng mga organikong anode na materyales ay katulad ng sa mga organikong materyales ng cathode. Ang mga kasalukuyang uri ay pangunahing kinabibilangan ng mga carbonyl compound, Schiff base compound, organic radical compounds at organic sulfides, na nasa laboratory research stage pa rin.

Iba pang mga sistema: Ang mga compound ng V at VI, karamihan sa mga metal na transisyon, ay nasa yugto pa rin ng pananaliksik

Ang ilang transition metal oxides, sulfides, selenides, nitride, at phosphides ay mayroon ding electrochemical activity para sa reversible sodium storage. Ang ganitong mga materyales ay madalas na sinamahan ng mga reaksyon ng conversion at mga reaksyon ng alloying, kaya ang kanilang teoretikal na tiyak na kapasidad ay maaaring lumampas sa kaukulang mga materyales ng Alloy anode, ngunit mas maraming mga teknikal na problema.

(3) Electrolyte materyal: higit sa lahat likido electrolyte, ang form ay pareho sa lithium baterya

Ang electrolyte ay isang tulay para sa paglipat ng materyal sa pagitan ng positibo at negatibong mga electrodes. Ito ay ginagamit sa transportasyon ng mga ion upang bumuo ng isang closed loop. Ito ay isang mahalagang garantiya para sa pagpapanatili ng mga electrochemical reactions. Hindi lamang ito direktang nakakaapekto sa rate, cycle ng buhay, self-discharge at iba pang pagganap ng baterya, ngunit tinutukoy din ang katatagan at kaligtasan ng baterya. isa sa mga pangunahing elemento ng sekswalidad. Ayon sa pisikal na anyo, ang electrolyte ng sodium ion na baterya ay maaaring nahahati sa likidong electrolyte at solid electrolyte.

Liquid electrolyte: katulad ng mga baterya ng lithium, ang mga lithium salt ay nagiging mga sodium salt

Ang mga likidong electrolyte ay madalas na tinutukoy bilang mga electrolyte at sa pangkalahatan ay binubuo ng mga solvent, solute at additives. Dahil ang itaas na limitasyon ng electrochemical window ng tubig ay hindi lalampas sa 2V, ang solvent ay ilang polar aprotic organic solvent, na hindi lamang maaaring matunaw ang isang malaking halaga ng sodium salts, ngunit hindi rin makapaglabas ng proton hydrogen, at mayroon ding isang tiyak na anti- kakayahan sa pagbabawas ng oksihenasyon. May mas mababang lagkit. Samakatuwid, ang mga carbonate na may mataas na dielectric na pare-pareho at mataas na lagkit ay karaniwang ginagamit sa kumbinasyon ng mga eter na may mababang dielectric na pare-pareho at mababang lagkit, kaya ang electrolyte ay lubos na nasusunog. Ang mga solute ay pangunahing mga sodium salt na may malalaking radius anion, na nahahati sa mga inorganic na sodium salt at mga organic na sodium salt. Ang mga sodium salt, atbp. Sa pangkalahatan, ang mga organic na sodium salt ay mas matatag, habang ang mga inorganic na sodium salt ay mas mura. Kasalukuyang inaasahan na makamit ang pang-industriya na aplikasyon ay pangunahin ang sodium hexafluorophosphate, na may relatibong pinakamahusay na kondaktibiti, ngunit lubos na sensitibo sa tubig. Ang nilalaman ng mga additives sa electrolyte ay mas mababa sa 5%, pangunahin ang ilang mga compound tulad ng sodium salts, esters, nitriles, ethers, atbp., na gumaganap ng isang papel sa pagtulong sa pagbuo ng SEI film at CEI film, overcharge na proteksyon, at apoy. retardant.

Solid-state electrolyte: para sa solid-state sodium electricity, nasa yugto pa rin ng pananaliksik

Ang mga solid-state na electrolyte na materyales ay pangunahing kinabibilangan ng tatlong uri: inorganic solid-state electrolytes, polymer solid-state electrolytes, at composite solid-state electrolytes. Dahil sa pag-iwas sa mga nasusunog at sumasabog na mga organikong solvent, ang kaligtasan ng baterya ay lubos na napabuti, at ang electrochemical window ay lubos na pinalawak, na ginagawang posible na gumamit ng mataas na potensyal na mga materyales sa cathode at metal na sodium anodes, sa gayon ay lubos na nagpapabuti sa enerhiya density ng buong baterya. . Bilang karagdagan, dahil sa matibay na solidong electrolyte barrier sa pagitan ng positibo at negatibong mga electrodes, hindi na kinakailangan ang isang hiwalay na separator, at sa proseso ng bipolar electrode, ang density ng enerhiya ng system ng baterya ay maaaring higit pang mapabuti. Ang mga naturang materyales ay kasalukuyang nahaharap sa mga problema tulad ng mababang temperatura ng silid na kondaktibiti at mataas na impedance ng interface, at ang kanilang industriyalisasyon ay magtatagal.

1.2.2. Mga hindi aktibong materyales: diaphragms, kasalukuyang collectors, conductive agent, binders

Ang mga hindi aktibong materyales sa baterya ng sodium ion ay pangunahing kinabibilangan ng mga diaphragm, kasalukuyang collectors, conductive agent, binder, atbp. makabuluhang epekto sa pagganap ng baterya.

(1) Diaphragm: karaniwan sa mga baterya ng lithium-ion

Ang pag-andar ng separator ay pisikal na paghiwalayin ang positibo at negatibong mga electrodes upang maiwasan ang direktang pakikipag-ugnay at reaksyon sa pagitan ng dalawa, at sa parehong oras upang matiyak ang paglusot at pagtagos ng mga solvent molecule, na nagpapahintulot sa mabilis na pagpasa ng mga natunaw na sodium ions. Ang perpektong materyal ng separator ay dapat magkaroon ng magandang electronic insulation at ionic conductivity, mataas na mekanikal na lakas at kasing manipis hangga't maaari, mataas na chemical inertness (ni hindi tumutugon sa electrolyte, o tumutugon sa positibo at negatibong electrodes), at magandang thermal stability sex. Ang mga polyolefin polymer separator, tulad ng PE, PP, at composite films, ay malawakang ginagamit sa mga baterya ng lithium-ion, at ang mga materyales ng separator na ito ay maaaring direktang i-transplant sa sistema ng baterya ng sodium ion. Sa hinaharap, sa all-solid-state na sodium ion na sistema ng baterya, hindi na kakailanganin ang materyal na diaphragm.

(2) Kasalukuyang kolektor: parehong positibo at negatibong mga electrodes ay gawa sa aluminum foil

Ang kasalukuyang kolektor ay ang batayang miyembro kung saan ang mga positibo at negatibong aktibong materyales ay nakakabit, na nagkakahalaga ng halos 10-13% ng bigat ng baterya, at ginagamit upang kolektahin ang kasalukuyang nabuo ng materyal na elektrod at ilabas ang pagpapadaloy sa labas. . Kahit na ang kasalukuyang kolektor ay hindi nakikilahok sa reaksyon ng elektrod, ito ang pangunahing garantiya para sa pagganap ng materyal ng elektrod, at ang kadalisayan, kapal, stress at iba pang mga parameter nito ay hindi direktang nakakaapekto sa aktwal na pagganap ng pagganap ng elektrod. Ang mga materyales na ginamit bilang kasalukuyang collectors ay dapat na may mahusay na electrical conductivity, mababang contact resistance sa mga aktibong materyales, mataas na chemical inertness (hindi tumutugon sa electrolyte at positive at negative electrodes), magandang processability at stable mechanical properties. Sa mga baterya ng lithium-ion, ang positibong electrode current collector ay aluminum foil, at ang negatibong electrode current collector ay copper foil upang maiwasan ang alloying ng aluminum at lithium sa ilalim ng mababang potensyal na kondisyon. Sa mga baterya ng sodium-ion, dahil ang sodium at aluminyo ay hindi sumasailalim sa isang reaksiyong haluang metal, ang mga aluminum foil ay maaaring gamitin para sa parehong positibo at negatibong kasalukuyang collectors, na umiiwas sa medyo mahal na mga copper foil.

(3) Conductive agent: katulad ng baterya ng lithium ion

Kapag ang materyal na elektrod ay aktwal na ginagamit, kinakailangan din na magdagdag ng isang conductive agent, na may tatlong pangunahing pag-andar: pagbabawas ng self-polarization ng electrode material, pagbabawas ng contact resistance sa pagitan ng mga aktibong particle ng materyal at sa pagitan ng kasalukuyang kolektor, adsorbing ang electrolyte at pagpapabuti ng infiltration ng electrode Effect. Ang mga karaniwang ginagamit na conductive agent ay mga carbon material na may malaking partikular na surface area at magandang conductivity, tulad ng carbon black, graphite powder, carbon nanotubes, at graphene.

(4) Binder: katulad ng Li-ion na baterya

Ang pag-andar ng binder ay upang pagsamahin ang materyal ng elektrod, ang conductive agent at ang kasalukuyang kolektor upang makagawa ng isang kumpletong piraso ng poste na maaaring magamit. Ang materyal na ginamit bilang isang panali ay dapat na may mahusay na katatagan, madaling iproseso, at mababa ang gastos. Ang mga karaniwang ginagamit na binder para sa mga baterya ng sodium ion ay katulad ng mga baterya ng lithium ion, karamihan ay malakas na polar polymers, tulad ng polyvinylidene fluoride (PVDF), sodium alginate (SA), polyacrylic acid (PAA), sodium carboxymethyl cellulose (CMC), polytetrafluoroethylene (PTFE) , atbp.

Proseso at ruta ng paggawa: sa parehong ugat ng mga baterya ng lithium

1.3.1. Electrode material synthesis: tanging Prussian blue ang espesyal

Ang paraan ng synthesis ng sodium ion battery cathode material ay dapat matukoy ayon sa partikular na kategorya ng materyal, na higit sa lahat ay nahahati sa solid-phase reaction method at liquid-phase synthesis method. Ang mga materyal na oksido at polyanion ay maaaring ma-synthesize sa pamamagitan ng alinman sa solid-phase reaction method o liquid-phase synthesis method. Ang proseso ng synthesis ay karaniwang kapareho ng sa mga kaukulang materyales para sa mga baterya ng lithium-ion, kaya ang linya ng produksyon ay maaaring magkatugma sa isang tiyak na lawak. Sa kasalukuyan, ang solid-phase reaction method ay ang pinaka malawak na ginagamit sa industriya. Ang pagkakapareho ng produkto na inihanda ng pamamaraang ito ay may ilang mga limitasyon, ngunit ang operasyon ay simple at ang teknolohikal na proseso ay maikli, na angkop para sa malakihang produksyon. Ang paraan ng liquid phase synthesis ay may mataas na pagkakapareho ng produkto, ngunit medyo mahal, nangangailangan ng mataas na kagamitan, at may maraming basurang tubig. Bilang karagdagan, may mga teknolohiya tulad ng sol-gel method, microwave synthesis method, spray drying method, ion exchange method, atbp., na sa pangkalahatan ay may mataas na gastos at hindi angkop para sa pang-industriyang produksyon sa ngayon.

1.3.2. Ang mga baterya ay pinagsama-sama sa mga grupo: ang proseso ng pagpupulong at pag-uuri ng hitsura ay pareho sa mga baterya ng lithium-ion

Katulad ng mga baterya ng lithium-ion, ang paggawa ng mga baterya ng sodium ion ay sumasailalim din sa mga proseso tulad ng pagpulpal, patong, pagpupulong, likidong iniksyon, at pagbuo ng kemikal. Kabilang sa mga ito, ang proseso ng pagpupulong ay pangunahing upang pagsamahin ang nakumpletong positibo at negatibong mga plato sa pamamagitan ng diaphragm interlayer upang maitatag ang landas ng sodium ion sa loob ng baterya, at ihiwalay ang positibo at negatibong mga electrodes upang maiwasan ang mga panloob na short circuit. Ang proseso ng pagpupulong ay sumusunod sa teknolohiya ng baterya ng lithium-ion at nahahati sa mga proseso ng paikot-ikot at paglalamina. Ang una ay higit pang nahahati sa cylindrical winding at square winding. Bilang karagdagan, ang istrukturang disenyo at proseso ng packaging ng mga produkto ng baterya ng sodium ion ay karaniwang sumusunod sa baterya ng lithium-ion, at ang hitsura ay halos nahahati sa tatlong kategorya: cylindrical, soft pack at square hard shell, bawat isa ay may sariling mga pakinabang at disadvantages.

Pahalang na paghahambing: sodium na baterya kumpara sa lithium na baterya, likidong daloy, lead acid

Habang umuunlad ang industriyalisasyon ng baterya ng sodium ion, tiyak na magkakaroon ito ng iba't ibang antas ng epekto sa iba pang mga teknolohiya ng pangalawang baterya. Ang unang nahihirapan ay ang mga lithium-ion na baterya, pati na rin ang mga flow na baterya at lead-acid na baterya na matagal nang ginagamit sa merkado. Sa seksyong ito, maikli naming hinuhulaan ang hinaharap na mapagkumpitensyang tanawin ng baterya ng sodium ion sa pamamagitan ng pahalang na paghahambing sa pagitan ng baterya ng sodium ion at ng tatlong teknolohiya ng baterya sa itaas.

Ang baterya ng sodium kumpara sa baterya ng lithium: maihahambing ang pagganap sa lithium iron phosphate, komprehensibong pagganap ng gastos o mas mataas

Ang baterya ng sodium ion ay suplemento at extension ng baterya ng lithium ion, hindi isang kumpletong kapalit na relasyon. Una sa lahat, sa mga tuntunin ng pagganap, ang umiiral na sistema ng baterya ng lithium-ion ay hindi perpekto: ang mga baterya ng ternary cathode ay may mataas na density ng enerhiya, ngunit mahinang buhay ng ikot; Ang mga baterya ng lithium iron phosphate cathode ay may mataas na cycle ng buhay, ngunit mababa ang density ng enerhiya; lithium manganate cathode na mga baterya Ang gumaganang boltahe ay mataas, ngunit ang density ng enerhiya at cycle ng buhay ay mahirap. Bilang karagdagan, ang mga baterya ng lithium-ion ay madaling kapitan ng matinding pagkupas ng kapasidad sa mababang temperatura, na nangangailangan ng isang sistema ng pagkontrol sa temperatura, na kumukonsumo ng hindi bababa sa 5% ng enerhiya ng sistema ng baterya at nagpapataas ng gastos sa pagmamanupaktura. Sa kabaligtaran, ang densidad ng enerhiya ng umiiral na sistema ng baterya ng sodium-ion ay lumapit sa lithium iron phosphate; kahit na ang cycle ng buhay ay hindi kasing ganda ng lithium iron phosphate, ito ay makabuluhang mas mahusay kaysa sa ternary na materyales at lithium manganate.

Pangalawa, mula sa pananaw ng kaligtasan, dahil ang paunang temperatura ng thermal runaway ng sodium ion na baterya ay bahagyang mas mataas kaysa sa lithium ion na baterya, ang kaligtasan sa antas ng cell ay napabuti, ngunit ang parehong mga baterya ay kailangang gumamit ng lubos na nasusunog na organikong electrolytes , may panganib ng deflagration sa ilalim ng thermal runaway na mga kondisyon. Mula sa kasalukuyang mapanirang mga eksperimento tulad ng cell puncture, ang aktwal na kaligtasan ng sodium ion na baterya ay maaaring katulad ng lithium iron phosphate na baterya.

Sa wakas, mula sa pananaw ng gastos, ang baterya ng sodium ion ay maaaring epektibong mabawasan ang halaga ng mga hilaw na materyales. Una, ang mga lithium compound sa mga aktibong materyales (cathode, electrolyte) ay pinalitan ng mga sodium compound sa kabuuan, at ang mga murang metal tulad ng iron at manganese ay higit na pinalitan ang mas mahal na mga metal tulad ng cobalt at nickel sa cathode; pangalawa, ang metal sodium ay hindi nabubuo sa metal na aluminyo. Eutectic haluang metal, parehong positibo at negatibong kasalukuyang collectors ay maaaring gawin ng murang aluminum foil, pinapalitan ang mas mahal tanso negatibong elektrod kasalukuyang collectors sa orihinal na lithium-ion na baterya; pangatlo, dahil ang Stokes radius ng sodium ions ay mas maliit kaysa sa lithium ions, kaya ang dami ng solute sa electrolyte ay maaaring lubos na mabawasan. Sa hinaharap, ang baterya ng sodium ion ay malamang na bumuo ng isang malakas na pakikipagkumpitensya sa mga baterya ng lithium iron phosphate, lalo na sa mga rehiyon ng alpine; Ang mga baterya ng lithium ion ay patuloy na bubuo sa direksyon ng mataas na density ng enerhiya at mataas na gumaganang boltahe, at unti-unting bubuo sa mga all-solid-state na baterya, atbp. Mga bagong pag-ulit ng teknolohiya.

Sodium electricity vs liquid flow: ang mga pakinabang at disadvantages ay lubos na komplementaryo, o magkatabi sa market ng imbakan ng enerhiya

Ang baterya ng sodium ion at ang daloy ng baterya ay may malakas na complementarity, ang dating ay angkop para sa maliit at nababaluktot na imbakan ng enerhiya, at ang huli ay angkop para sa malaki at katamtamang sukat na imbakan ng enerhiya. Ang flow battery ay isang liquid-phase (pangunahin na water-phase system) electrochemical energy storage device, na kung saan ay nailalarawan sa na ang aktibong materyal na gumagana ay natunaw sa electrolyte, at ang pag-iimbak at paglabas ng enerhiya ay natanto sa pamamagitan ng pagbabago ng oxidation valence state ng ang aktibong materyal. Kasama sa mga kinatawan ang mga all-vanadium flow na baterya, iron-chromium flow na baterya, at zinc-bromine flow na baterya. Ang pinakamalaking bentahe ng daloy ng baterya ay nakasalalay sa intrinsic na kaligtasan ng water-phase system nito at ang ultra-long cycle na buhay nito, na kung saan ay angkop lalo na para sa medium at malalaking electrochemical energy storage facility, ngunit ang mga disadvantage ay mababa ang energy density at makitid na operating temperature. range, kaya mahirap i-miniaturize o ilapat sa mga rehiyon ng alpine. Sa kabaligtaran, ang density ng enerhiya ng isang sodium ion na baterya ay humigit-kumulang tatlong beses kaysa sa isang daloy ng baterya, at maaari itong makatiis sa mababang temperatura na -40 °C, ngunit ang kanyang intrinsic na kaligtasan at cycle ng buhay ay hindi kasing ganda ng isang daloy ng baterya. Sa hinaharap, ang baterya ng sodium ion at ang daloy ng baterya ay inaasahang magpupuno sa isa't isa sa larangan ng pag-iimbak ng enerhiya. Halimbawa, ang mga aparatong pang-imbak ng maliit na enerhiya sa bahay at mobile ay may mas mataas na mga kinakailangan sa density ng enerhiya at angkop para sa paggamit ng mga baterya ng sodium ion; malaki at katamtamang laki ng mga istasyon ng kuryente sa pag-iimbak ng enerhiya ng electrochemical ay may mas mataas na mga kinakailangan para sa kaligtasan at angkop para sa paggamit ng mga baterya ng daloy.

Sodium battery vs lead acid: unti-unting palitan ang tradisyonal na lead acid, na pinipilit ang huli na paulit-ulit na mag-upgrade

Ang baterya ng sodium ion ay inaasahang unti-unting papalitan ang mga tradisyonal na lead-acid na baterya, na pumipilit sa pagbuo ng mga bagong teknolohiya tulad ng mga lead-carbon na baterya. Ang pang-industriya na paggamit ng mga lead-acid na baterya ay higit sa isang siglo at kalahati, at ang pang-industriya na closed loop ng "produksyon-pagkonsumo-recycle" ay lubos na kumpleto. Ang mga bentahe ay mababang gastos, madaling pag-recycle, at mahusay na kaligtasan. Ang mga disadvantages ay mababa ang density ng enerhiya, maikling buhay ng ikot, Ang pagsingil ay tumatagal ng mahabang panahon. Sa kasalukuyan, ang mga lead-acid na baterya ay patuloy na ginagawa at ina-upgrade. Ang pinakakinatawan ay ang "lead-carbon na baterya" na nagsasama ng teknolohiya ng supercapacitor. Ang cycle life nito ay kasing taas ng 3,000 beses, mayroon itong mabilis na kakayahang mag-charge, at pinapanatili ang mga katangian ng orihinal na lead-acid na baterya. Kaligtasan at iba pang mga pakinabang, ngunit ang density ng enerhiya ay higit na nabawasan, at ang gastos sa pagmamanupaktura ay tumaas din nang naaayon. Sa kabaligtaran, karamihan sa pagganap ng mga baterya ng sodium-ion ay mas mahusay kaysa sa mga tradisyonal na baterya ng lead-acid. Sa hinaharap, habang mas mababawasan ang gastos, inaasahang unti-unting papalitan ang mga tradisyonal na lead-acid na baterya. Kasabay nito, ang pagtaas ng sodium ion na baterya ay maaaring hindi direktang mapabilis ang proseso ng pag-upgrade at pag-ulit mula sa tradisyonal na lead-acid na baterya patungo sa lead-carbon na baterya. Sa hinaharap, ang mga lead-acid na baterya ay maaaring ipanganak muli sa anyo ng mga lead-carbon na baterya, sa halip na ganap na umalis mula sa makasaysayang yugto. (Pinagmulan ng ulat: Report Institute)

Katayuan ng industriya ng baterya ng sodium

Sa kasalukuyan, may halos 30 kumpanyang kasangkot sa industriya ng baterya ng sodium ion sa buong mundo. Dahil ang mga kalamangan at kahinaan ng mga teknikal na ruta ay hindi pa rin tiyak, at walang pinag-isang pamantayan, ang kumpetisyon ng iba't ibang mga negosyo ay mahalagang kumpetisyon ng iba't ibang mga teknikal na ruta. Bagaman ang kasaysayan ng pananaliksik ng baterya ng sodium ion ay tumatagal ng kalahating siglo, ang tunay na mabilis na pag-unlad nito ay sa huling dekada, salamat sa mahahalagang tagumpay sa pananaliksik at pag-unlad ng mga materyales sa elektrod. Naniniwala kami na ang industriya ay nasa yugto pa rin ng paglipat mula sa panahon ng pagpapakilala hanggang sa panahon ng paglago sa susunod na 3 taon.

Pang-industriya na istraktura: katulad ng mga baterya ng lithium-ion

Ang chain ng industriya ng baterya ng sodium ion ay katulad ng mga baterya ng lithium-ion, kabilang ang upstream, midstream at downstream. Upstream: supply ng mga hilaw na materyales at synthesis ng mga materyales sa elektrod, ang pangunahing hilaw na materyales ay kinabibilangan ng soda ash, aluminum foil, manganese ore, atbp., pati na rin ang iba't ibang mga auxiliary na materyales, na kinasasangkutan ng mga pangunahing kemikal at non-ferrous na metal at iba pang mga industriya. Midstream: cell packaging, pagbuo at pagsasama ng sistema ng baterya, atbp., na kinasasangkutan ng iba't ibang consumable at electronic na bahagi. Downstream: Mga end-use na merkado, pangunahin kasama ang pag-iimbak ng enerhiya at mababang bilis na mga de-kuryenteng sasakyan.

Mga pangunahing kumpanya: Mayroong higit sa 20 kumpanya sa mundo, at nangingibabaw ang mga kumpanyang Tsino

Ang mga kumpanyang nauugnay sa baterya ng sodium ion sa loob at labas ng bansa ay itinatag (o pumasok sa larangan) pagkatapos ng 2010. Sa kasalukuyan, mayroong higit sa 20 kaugnay na kumpanya sa mundo, na pangunahing matatagpuan sa China, United States, Europe at Japan. Karamihan sa kanila ay mga start-up na kumpanya. Ang pananaliksik at pag-unlad ng teknolohiya at madiskarteng layout ay ang mga pangunahing, at ang sukat ay hindi pa nabuo.

3.2.1. Domestic: Malaki ang naipon ni Zhongke Haina, at nanguna ang panahon ng Ningde
Ang pananaliksik at industriyalisasyon ng baterya ng sodium ion ng aking bansa ay nangunguna sa mundo sa mundo. Ang mga domestic sodium ion battery enterprise ay maaaring nahahati sa dalawang kategorya: ang isa ay isang start-up enterprise na nilikha ng self-developed na teknolohiya ng mga scientific research institute, na kinakatawan ni Zhongke Haina; ang isa ay isang Mature lithium-ion na mga kompanya ng baterya ay pumasok sa sodium ion na baterya track upang lumahok sa kompetisyon, na kinakatawan ng panahon ng Ningde.

Itinatag noong 2017, ang Zhongke Haina ay ang unang high-tech na enterprise sa China na nakatutok sa pagbuo at paggawa ng mga sodium ion na baterya. Ito ay incubated ng Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences at may R&D team na pinamumunuan ni Academician Chen Liquan at Researcher Hu Yongsheng. , ay isa sa ilang kumpanya ng baterya na may mga pangunahing patented na teknolohiya sa lahat ng larangan ng sodium ion na baterya, ay naglunsad ng ilang mga proyektong demonstrasyon, at sinimulan ang pagtatayo ng unang 1GWh scale production line. Bilang isang teknolohiyang enterprise na pinasimulan ng Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, ang Zhongke Haina ay may malakas na kakayahan sa pagbabago, at na-master ang lahat ng larangan mula sa pangunahing pananaliksik at pag-develop ng mga aktibong materyales hanggang sa pinaliit na produksyon, mula sa mga materyales hanggang sa mga baterya, mula sa mga solong cell hanggang sa baterya modules, at mula sa mga bahagi ng baterya hanggang sa mga application. teknolohiya.

Itinatag noong 2017, ang Ben'an Energy ay isang high-tech na multinational na enterprise na pangunahing nakatuon sa pananaliksik at pagpapaunlad at paggawa ng mga baterya ng sodium ion para sa mga water system. Ang kumpanya ay may mga pandaigdigang sentro ng R&D sa Singapore, China at Estados Unidos upang magsagawa ng pananaliksik at pagpapaunlad ng mga materyales, cell at istruktura para sa water-based na sodium ion na mga baterya; ang mga panrehiyong kumpanya sa China, United States at Australia ay may pananagutan sa paggawa ng materyal ng baterya at negosyo sa merkado ng rehiyon. Nakatuon ang kumpanya sa larangan ng aplikasyon ng nakatigil na imbakan ng enerhiya. Ang mga produkto ay may mga katangian ng mataas na intrinsic na kaligtasan, proteksyon sa kapaligiran at hindi nakakalason. Ang mga ito ay partikular na angkop para sa mga istasyon ng kuryente sa pag-iimbak ng enerhiya sa mga urban na lugar na makapal ang populasyon, at angkop din para sa layout ng panloob na kapaligiran; ang mga ito ay angkop din para sa pangmatagalang pagpapatakbo ng lumulutang. , ay maaaring malawakang ginagamit sa pang-industriyang backup na sistema ng kapangyarihan.

3.2.2. Sa ibang bansa: Karamihan sa kanila ay mga start-up, na may maliit na sukat at malakas na pagtingin sa hinaharap

Ang mga dayuhang negosyo ng baterya ng sodium ion ay pangunahing matatagpuan sa mga binuo bansa tulad ng Europa, Amerika at Japan. Ang iba't ibang materyal na sistema at teknikal na ruta ay pinagtibay ng mga kumpanya. Karamihan sa mga negosyong ito ay may medyo maikling oras ng pagtatatag at limitado ang sukat ng produksyon, ngunit ang kanilang teknolohiya ay napaka-forward-looking.

Pangunahing itinutulak ng British company na Faradion ang mga layered oxide cathodes. Itinatag noong 2011, ang kumpanya ay ang unang komersyalisadong kumpanya ng baterya ng sodium ion sa mundo, at kasalukuyang may hawak na 31 sodium ion na patent ng baterya, na sumasaklaw sa mga materyales sa baterya, imprastraktura ng baterya, kaligtasan ng baterya at transportasyon, atbp. Ang kumpanya ay nagbibigay ng malaking diin sa gastos ng produkto at density ng enerhiya , na may sukdulang layunin na makapaghatid ng pagganap ng lithium-ion sa presyong lead-acid. Sa pagtatapos ng 2021, ang kumpanya ay nakuha ng Reliance New Energy Solar Limited (RNESL) ng India sa halagang £100 milyon, na mamumuhunan din ng £25 milyon bilang kapital sa paglago upang mapabilis ang komersyal na paglulunsad ng baterya ng sodium ion.

Pangunahing itinutulak ng kumpanya ng Natron Energy sa Estados Unidos ang sodium ion na baterya ng sistema ng tubig. Itinatag noong 2012, ang kumpanya ay isang enterprise na bumuo at gumagawa ng water-based na sodium ion na mga baterya, na pangunahing nagpo-promote ng Prussian blue cathode na materyales. Ang kumpanya ay naglalagay ng malaking kahalagahan sa kaligtasan ng mga baterya ng sodium ion, at hindi gumagamit ng mga organic na solvent electrolytes. Ang mga produkto nito ay lubos na ligtas at may mahabang cycle ng buhay. Ang densidad ng kapangyarihan ay bahagyang mas mababa kaysa sa mga baterya ng lithium ion, ngunit ang density ng enerhiya ay maihahambing lamang sa mga baterya ng lead, pangunahin para sa static na kuryente. Mga application ng pag-iimbak ng enerhiya (mga fast charging station para sa mga data center, forklift at electric vehicle). Sa kasalukuyan, ang sodium ion na baterya nito ay unang na-komersyal, na may pilot production line na tumatakbo sa Santa Clara, California. Ang susunod na layunin ay palawakin ang produksyon at bumuo ng sodium ion battery industry chain.

Pag-unlad sa hinaharap: bigyan ng buong laro ang resource endowment at comparative advantage ng sodium electricity

Mga kasalukuyang problema: mahihirap na materyales, mataas na gastos, hindi natukoy na mga pamantayan

4.1.1. Ang pananaliksik sa mga materyales ay kailangang isulong: mekanismo ng hard carbon, pagpapabuti ng pagganap, pagtatasa ng kaligtasan

Sa kasalukuyan, marami pa ring mga kontrobersya tungkol sa mekanismo ng pag-iimbak ng sodium ng hard carbon sa akademya, at hindi pa ito lubos na naipapaliwanag. Upang mapabuti ang mga depekto ng umiiral na hard carbon anode, tulad ng mababang kahusayan sa unang ikot, kinakailangan na malalim na maunawaan ang kinetic na mekanismo ng imbakan ng sodium nito at magbigay ng pinakapangunahing teoretikal na patnubay para sa pananaliksik at pag-unlad ng teknolohiya. Marami pa ring puwang para sa pagpapabuti sa mga materyal na katangian ng umiiral na baterya ng sodium ion. Sa pangkalahatan, ang density ng enerhiya ng kasalukuyang baterya ng sodium ion ay malayo sa teoretikal na halaga, at ang pagganap ng ikot nito ay kailangan ding pagbutihin pa. Sa isang banda, kinakailangan ang patuloy na pagpapabuti ng mga aktibong materyales. Sa kabilang banda, kailangan ding isaalang-alang ang pangkalahatang disenyo ng system at pinagsamang pamamahala nito. Ang aktwal na kaligtasan ng pagpapatakbo ng baterya ng sodium ion ay nangangailangan ng maingat na pagsusuri. Sa kasalukuyan, ang eksperimento sa pagsubok sa kaligtasan ng baterya ng sodium ion ay nasa antas ng cell. Ang mga resulta ay nagpapakita na kahit na ang kaligtasan ay mataas, ang kaligtasan pagkatapos ng aktwal na operasyon ay kailangang obserbahan nang madalian, at hindi ipinapayong maging walang taros na optimistiko. Sa partikular, ang Prussian blue positive electrode ay maglalabas ng mga nakakalason na gas tulad ng hydrocyanic acid at cyanide sakaling magkaroon ng thermal runaway.

4.1.2. Ang kalamangan sa gastos ay nananatiling maisasakatuparan: ang teknolohikal na R&D at economies of scale ay kailangang-kailangan

Ang pagbawas sa gastos ng baterya ng sodium ion ay nakasalalay sa pagbabawas ng mga variable na gastos sa pamamagitan ng patuloy na pag-ulit ng teknolohiya at ang pagbabanto ng mga nakapirming gastos sa pamamagitan ng mass production. Sa teorya, ang baterya ng sodium ion ay may malaking kalamangan sa gastos ng materyal, ngunit ang aktwal na kabuuang halaga ng kasalukuyang produkto ay higit sa 1 yuan/Wh, na mas mataas kaysa sa lithium iron phosphate. epekto ng sukat. Sa isang banda, ang mga uri ng mga materyales sa elektrod at mga proseso ng pagmamanupaktura ay hindi na-standardize, at ang mga precursor ay kulang din ng isang matatag at maaasahang supply chain, na humahantong sa mababang ani at pagkakapare-pareho ng mga materyales ng elektrod at mataas na aktwal na gastos. Mga pagpapabuti sa teknolohikal na paggalugad. Sa kabilang banda, ang presyo ng mga kagamitan sa produksyon ay mataas at ang pagkawala ng depreciation ay malaki, na nagkakahalaga ng humigit-kumulang 20~30% ng gastos sa pagmamanupaktura, na maaari lamang matunaw ng mass production.

4.1.3. Mga teknikal na pamantayan na dapat balangkasin: i-standardize ang kaayusan sa pamilihan at isulong ang malusog na pag-unlad

Ang industriya ng baterya ng sodium ion ay kailangang magtatag ng isang siyentipikong pinag-isang pamantayan upang makontrol ang mga aktibidad sa produksyon ng mga negosyo at itaguyod ang malusog at maayos na pag-unlad ng industriya. Sa yugtong ito, ang mga teknikal na ruta ng mga tagagawa na nakikibahagi sa R&D at produksyon ng mga baterya ng sodium ion ay iba, at mayroong malaking kontrobersya kung alin ang mas mahusay. Sa kasalukuyan, pangunahing tinutukoy ng mga tagagawa ang mga baterya ng lithium-ion, na sinamahan ng mga katangian ng mga baterya ng sodium ion at pag-unlad ng industriya, upang bumalangkas ng mga pamantayan o mga detalye ng produkto na angkop para sa kani-kanilang mga kumpanya, at ginagamit ito upang gabayan ang disenyo ng produkto at mga proseso ng pagmamanupaktura upang matiyak ang ani ng produkto at pagkakapare-pareho. Bilang resulta, ang pagganap ng produkto at teknikal na antas ng iba't ibang mga negosyo ay hindi pantay. Ang pinag-isang pagbabalangkas ng mga teknikal na pamantayan ng industriya ay maaaring gumanap ng isang mas mahusay na papel sa pamumuno sa industriya at isang kinakailangang garantiya para sa pagkamit ng mga ekonomiya ng sukat. Sa partikular, ang mga pamantayan sa kaligtasan ay isang mahalagang batayan para hadlangan ang kalidad ng produkto at isang mahalagang paraan upang makontrol ang kaayusan ng merkado at isulong ang malusog at napapanatiling pag-unlad ng industriya.

Technology Outlook: Pinahusay na Kaligtasan at Mas Mataas na Partikular na Enerhiya

4.2.1. Water-based na sodium ion na baterya: intrinsically safe na sodium ion na baterya

Ang pagpapalit ng mga organikong electrolyte ng may tubig na mga electrolyte ay maaaring makabuluhang mapabuti ang kaligtasan ng mga baterya ng sodium ion. Ang kasalukuyang sodium ion na baterya ay nagpapatuloy sa organic electrolyte system ng lithium-ion na baterya, kaya imposibleng maiwasan ang panganib ng deflagration. Kung ito ay papalitan ng isang may tubig na solusyon, ito ay hindi lamang lubos na mapabuti ang kaligtasan, ngunit din gawing simple ang proseso ng produksyon, habang binabawasan ang proseso ng produksyon. polusyon sa kapaligiran. Sa kasalukuyan, ang isang malaking bilang ng mga solusyon sa sistema ng baterya ng sodium ion na nakabatay sa tubig ay naiulat, kung saan ang Prussian blue system ay may pinakamahusay na pagganap ng ikot, at sinimulan ang mga pagtatangka sa industriyalisasyon. Kabilang sa mga kinatawan ng kumpanya ang Natron Energy at Ben'an Energy. Sa katagalan, ang water-based na sodium ion na baterya ay isang napaka-promising na direksyon, lalo na para sa pag-iimbak ng enerhiya.

4.2.2. Solid state sodium ion na baterya: high energy density sodium ion battery

Ang pagpapalit ng mga likidong organikong electrolyte ng mga solidong electrolyte na materyales ay maaaring makabuo ng mga solid-state na sodium ion na baterya. Dahil sa pag-iwas sa nasusunog at sumasabog na mga organikong solvent, ang kaligtasan ng baterya ay lubos na napabuti, at ang electrochemical window ay lubos na pinalawak, na ginagawang posible na gumamit ng mataas na potensyal na mga materyales ng cathode at metal na sodium anodes, sa gayon ay lubos na nagpapabuti sa enerhiya. density ng buong baterya. . Bilang karagdagan, dahil sa matibay na solidong electrolyte barrier sa pagitan ng positibo at negatibong mga electrodes, hindi na kinakailangan na mag-set up ng isang hiwalay na separator, at sa proseso ng bipolar electrode, ang density ng enerhiya ng system ng baterya ay maaaring higit pang mapabuti. Ang mga naturang materyales ay kasalukuyang nahaharap sa mga problema tulad ng mababang temperatura ng silid na kondaktibiti at mataas na impedance ng interface, at ang kanilang industriyalisasyon ay magtatagal.

4.2.3. Multi-guest co-intercalation anode: graphite bilang isang unibersal na anode

Ang graphite anode ay maaari ding makamit ang epektibong intercalation at deintercalation ng mga kumplikadong sodium ions sa "multi-guest co-intercalation reaction". Dahil ΔG>0 ng sodium ion-graphite intercalation reaction, mahirap para sa mga sodium ions na epektibong mag-intercalate sa pagitan ng mga graphite layer sa carbonate solvents, kaya mahirap gumamit ng graphite negative electrodes. Sa katunayan, sa mga solvent ng eter, ang mga sodium ions ay bumubuo ng mga bono ng koordinasyon na may mga atomo ng eter oxygen, na maaaring ipasok sa pagitan ng mga layer ng grapayt sa anyo ng mga ion ng koordinasyon. Ang "multi-guest co-insertion reaction" na ito ay may mahalagang nakakapagpapaliwanag na kahalagahan. Sa isang banda, nangangahulugan ito na ang graphite negative electrode ay maaari ding gamitin bilang negatibong electrode ng sodium ion battery, kaya ibinabahagi ang materyal na linya ng produksyon sa lithium ion na baterya, na nakakatulong sa malakihang pagbawas sa gastos. Sa kabilang banda, nagbubukas ito ng posibilidad na magdisenyo ng bagong henerasyon ng mga multi-charged na baterya ng ion. Gayunpaman, ang mga eter electrolyte ay may mahinang katatagan at madaling tumugon sa positibong elektrod, na nangangailangan ng karagdagang malalim na pananaliksik.