Der Aufstieg von Natrium-Ionen-Batterien in einer neuen Ära der Leistungsbatterien
Das Zeitalter der Natriumbatterie-Elektroautos wird eingeläutet
Anfang 2024 wurde das weltweit erste Elektrofahrzeug mit Natrium-Ionen-Batterie offiziell an Nutzer ausgeliefert. Das neue Auto hat eine Reichweite von bis zu 252 Kilometern und ist mit 32.140 Natrium-Ionen-Zylinderbatterien ausgestattet. Die Zelle übernimmt den technischen Weg von"Kupferbasis wie Oxid Hartkohlenstoff"Die Monomerkapazität beträgt 12 Ah, die Energiedichte beträgt mehr als 140 Wh/kg und es bietet die Vorteile hoher Sicherheit, hoher Energiedichte und guter Leistung bei niedrigen Temperaturen. In den letzten Jahren haben auch Ningde Times, Natrium Energy und andere inländische Unternehmen den Aufbau der Natrium-Ionen-Batterieindustrie beschleunigt, nun eine Kleinserienproduktion und Leistungsbewertung erreicht und voraussichtlich das erste Jahr der Entwicklung der Natriumbatterie-Straßenbahn eröffnen 24 Jahre.
Natriumionen- versus Lithium-Ionen-Batterie
Aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile wird erwartet, dass Natriumionenbatterien eine weitere Sekundärbatterietechnologie für großtechnische kommerzielle Anwendungen werden. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien haben Natriumionen eine stärkere Solvatationswechselwirkungskapazität und einen kleineren Stokes-Radius, wodurch Natriumionen-Elektrolytlösungen mit niedriger Konzentration eine höhere Ionenleitfähigkeit erreichen können. Da Natrium und Lithium zur gleichen Hauptgruppe benachbarter Elemente gehören, weisen die beiden eine hohe Ähnlichkeit in den chemischen Eigenschaften auf, sodass das Funktionsprinzip von Natrium-Ionen-Batterien dem von Lithium-Ionen-Batterien ähnelt, die dem folgen"Schaukelstuhl"Mechanismus. Die Natriumionenbatterie besteht aus einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode, einem Diaphragma, einem Elektrolyten und einem Flüssigkeitssammler. Der Lade- und Entladevorgang wird durch reversibles Einbetten und Entfernen von Natriumionen zwischen den positiven und negativen Elektrodenmaterialien realisiert. Beim Ladevorgang werden Natriumionen von der positiven Elektrode entfernt und in die negative Elektrode eingebettet, um eine NA-arme positive Elektrode und eine Na-reiche negative Elektrode zu bilden. Beim Entladevorgang werden Natriumionen umgekehrt von der negativen Elektrode in die positive Elektrode eingebettet, um ein Lade- und Entladegleichgewicht zu erreichen. Elektronen werden im externen Stromkreis übertragen, wodurch das Ladungsgleichgewicht durch die Wanderung von Natriumionen aufrechterhalten wird. Aufgrund der Eigenschaften von Natrium-Ionen-Batterien sind sie mit Produktionsanlagen für Lithium-Ionen-Batterien kompatibel, die weniger schwierig zu industrialisieren sind und breite Marktaussichten für die Zukunft haben.
In Bezug auf die Energiedichte liegt die Zelle einer Natrium-Ionen-Batterie normalerweise im Bereich von 105–150 Wh/kg. Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batteriezellen liegt im Allgemeinen über 190 Wh/kg, einige ternäre Systeme mit hohem Ni-Gehalt sogar über 230 Wh/kg. Obwohl die aktuelle Natrium-Ionen-Batterie noch nicht mit der ternären Lithium-Batterie verglichen werden kann, weist die Natrium-Ionen-Batterie im Vergleich zur Lithium-Eisenphosphat-Batterie 120–200 Wh/kg und der Blei-Säure-Batterie 35–45 Wh/kg eine gewisse Wettbewerbsfähigkeit auf . Was den Betriebstemperaturbereich und die Sicherheit angeht, haben Natrium-Ionen-Batterien offensichtliche Vorteile. Sein Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -40 % und 80 % und der Betriebstemperaturbereich ternärer Lithium-Ionen-Batterien beträgt normalerweise -20 bis 60 %. In einer Umgebung unter 0 °C wird die Leistung von Lithiumbatterien beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu können Natrium-Ionen-Batterien bei -20 % C immer noch eine SOC-Retention von mehr als 80 % erreichen. Darüber hinaus sind Natrium-Ionen-Batterien aufgrund des großen Innenwiderstands nicht leicht zu erhitzen, sodass sie eine höhere Sicherheit aufweisen im Hinblick auf das thermische Durchgehen. Was die Ladegeschwindigkeit betrifft, können Natrium-Ionen-Batterien in nur 10 Minuten vollständig aufgeladen werden, verglichen mit mindestens 40 Minuten bei ternären Lithiumbatterien und 45 Minuten bei Lithiumeisenphosphat. Obwohl die Energiedichte nicht mit Lithium-Ionen-Batterien mithalten kann, können Natrium-Ionen-Batterien insgesamt die beiden Hauptprobleme aktueller Fahrzeuge mit neuer Energie in Bezug auf Stabilität bei niedrigen Temperaturen und Ladegeschwindigkeit gut lösen und sind immer noch eine der Optionen, die von in Betracht gezogen werden große Automobilkonzerne.
Eine kurze Analyse des technischen Weges von Schichtoxid für Natriumionenbatterien
Kathodenmaterial - geschichtetes Übergangsmetalloxid
Natriumionenschichtige Übergangsmetalloxide werden üblicherweise als NaxMO2 ausgedrückt, wobei M ein Übergangsmetallelement wie Mn, Ni, Cu, Fe, Co usw. ist. Die Studie zeigt, dass die Anordnung von NaxMO2 in O-Typ und unterteilt werden kann P-Typ und sein Strukturdiagramm ist wie folgt. Die Schichtstruktur dieses Übergangsmetalloxids bietet nicht nur Kanäle für die Einbettung und Entfernung von Natriumionen, sondern erhöht auch die Stabilität der Gesamtstruktur durch Nutzung der MO6-Oktaederstruktur. Daher verfügt das Material über eine hervorragende elektrochemische Leistung und ist derzeit das gängige positive Elektrodenmaterial für Natriumionenbatterien. Gleichzeitig weist das Material eine hohe Korrelation mit der Elektrolyttechnologie auf.
Das Kupferoxid-Kathodenmaterial CuFeo2 ist für Natrium-Ionen-Batterien bei Raumtemperatur geeignet. Das auf Kupfer basierende Material weist eine reversible Kapazität von 220 mAh/g auf und sein elektrochemischer Reaktionsmechanismus beinhaltet hauptsächlich die REDOX-Reaktion von Cu2 /Cu . Die Arbeitsspannung von CuFeo2 kann 2,4 V erreichen und weist eine gute Zyklenstabilität auf. Dieses Material zeichnet sich durch niedrige Kosten, hervorragende Leistung und Umweltfreundlichkeit aus und hat gewisse Aussichten gezeigt.
Negatives Elektrodenmaterial – Material auf Kohlenstoffbasis
Es gibt viele Arten von Anodenmaterialien für Natriumionenbatterien, darunter Materialien auf Kohlenstoffbasis, Materialien auf Titanbasis, Legierungsmaterialien und organische Materialien. Unter ihnen gelten kohlenstoffbasierte Materialien aufgrund ihrer Verfügbarkeit und geringen Kosten als die vielversprechendsten Kandidatenmaterialien. Materialien auf Kohlenstoffbasis werden hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: kristalliner Kohlenstoff und amorpher Kohlenstoff, kristalliner Kohlenstoff, hauptsächlich natürlicher Graphit und künstlicher Graphit, die die wichtigsten negativen Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien sind. Wenn jedoch Graphit als negative Elektrode der Natriumionenbatterie verwendet wird, kann die Einbettung von Natriumionen nicht erreicht werden, was zu einer zu geringen spezifischen Kapazität führt, um den Anforderungen praktischer Anwendungen gerecht zu werden. Zu den amorphen Kohlenstoffmaterialien gehören hauptsächlich Hartkohlenstoff und Weichkohlenstoff. Hartkohlenstoff weist eine hohe Anfangsentladungskapazität, eine gute Geschwindigkeitsleistung und Strukturstabilität auf, weist gute elektrochemische Leistungsvorteile auf und ist derzeit die erste Wahl für negative Elektrodenmaterialien. Obwohl weicher Kohlenstoff kostengünstig ist, eine hohe elektrochemische Aktivität aufweist und eine hohe reversible Kapazität bereitstellen kann, ist seine spezifische Kapazität gering und das Problem der Volumenexpansion muss gelöst werden. Aufgrund der umfassenden Vorteile reichlich vorhandener Ressourcen, geringer Kosten, struktureller Vielfalt und hervorragender elektrochemischer Leistung gelten amorphe Kohlenstoffmaterialien allgemein als eines der vielversprechendsten Anodenmaterialien für Natriumionenbatterien in der Branche.
Harter Kohlenstoff kann durch eine Vielzahl von Vorläufersystemen hergestellt werden, und der Unterschied der Vorläufer wirkt sich auf die mikroskopische Morphologie und den Defektgrad des endgültigen harten Kohlenstoffs aus und beeinflusst dann dessen elektrochemische Leistung.
Elektrolyt
Neben positiven und negativen Elektrodenmaterialien ist auch Elektrolyt ein unverzichtbares Reaktionsmedium. Der Elektrolyt der Natriumionenbatterie besteht hauptsächlich aus drei Teilen: Natriumsalz, Lösungsmittel und Additiv. Natriumsalz spielt im Elektrolyten eine Schlüsselrolle, die sich direkt auf die Lade-Entlade-Leistung und die Lebensdauer der Batterie auswirkt. Um den stabilen Betrieb der Batterie aufrechtzuerhalten, muss das Natriumsalz eine gute elektrochemische Stabilität aufweisen und darf keine Nebenreaktionen mit dem Elektrodenmaterial eingehen. Idealerweise sollten sich Natriumsalze im gewählten Lösungsmittelsystem vollständig lösen und elektrochemisch aktive Natriumionen erzeugen können, damit diese frei im Elektrolyten wandern und für reversible Reaktionen schnell die Elektrodenoberfläche erreichen können. Darüber hinaus soll hochwertiges Natriumsalz auch Nebenreaktionen mit anderen Batteriekomponenten minimieren, um die Sicherheit der Batterie zu verbessern.
Zukünftige Entwicklungsperspektive
Obwohl Natrium-Ionen-Batterien hinsichtlich der Kosten Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien haben, gibt es offensichtliche Defizite bei der Energiedichte und sie werden derzeit hauptsächlich in kleinen Minifahrzeugen mit geringen Anforderungen an die Batterielebensdauer und hoher Kostensensibilität transportiert. Mit der explosionsartigen Entwicklung neuer Energiefahrzeuge in den letzten Jahren werden Lithium-Ionen-Ressourcen immer knapper, und es kann vorhergesagt werden, dass die Natrium-Ionen-Batterietechnologie eine goldene Entwicklungsphase einläuten wird. Mit dem kontinuierlichen Durchbruch bei Materialien, elektrochemischer Leistung, Sicherheit und anderen Aspekten beschleunigt sich auch die Industrialisierung von Natrium-Ionen-Batterien. Zusätzlich zu den aktuellen Klein- und Mikroelektrofahrzeugen wird erwartet, dass die Zukunft auch Plug-in-Hybride sein wird Fahrzeuge wird der Fahrzeugpreis weiter gesenkt.
