A ascensão das baterias de íon de sódio em uma nova era de baterias de energia
Inaugurando a era dos carros elétricos com bateria de sódio
No início de 2024, o primeiro veículo elétrico com bateria de íon de sódio do mundo foi oficialmente entregue aos usuários. O novo carro tem autonomia de até 252 quilômetros e está equipado com 32.140 baterias cilíndricas de íon de sódio. A célula adota a rota técnica de"base de cobre como óxido carbono duro", a capacidade do monômero é de 12Ah, a densidade de energia é superior a 140Wh/kg e tem as vantagens de alta segurança, alta densidade de energia e bom desempenho em baixas temperaturas. Nos últimos anos, incluindo Ningde Times, sódio Energy e outras empresas nacionais também aceleraram o layout da indústria de baterias de íon de sódio, agora alcançaram produção de pequenos lotes e avaliação de desempenho, espera-se abrir o primeiro ano de desenvolvimento do bonde com bateria de sódio em 24 anos.
Bateria de íon de sódio versus bateria de íon de lítio
Espera-se que as baterias de íon de sódio se tornem outra tecnologia de bateria secundária para aplicações comerciais em larga escala devido às suas vantagens exclusivas. Em comparação com as baterias de íon-lítio, os íons de sódio têm uma capacidade de interação de solvatação mais forte e um raio de stokes menor, o que permite que soluções eletrolíticas de íons de sódio de baixa concentração alcancem maior condutividade iônica. Como o sódio e o lítio pertencem ao mesmo grupo principal de elementos adjacentes, os dois apresentam uma grande semelhança nas propriedades químicas, de modo que o princípio de funcionamento das baterias de íon de sódio é semelhante ao das baterias de íon de lítio, que seguem o"cadeira de balanço"mecanismo. A bateria de íon de sódio é composta por eletrodo positivo, eletrodo negativo, diafragma, eletrólito e coletor de fluido. O processo de carga e descarga é realizado pela incorporação e remoção reversíveis de íons de sódio entre os materiais dos eletrodos positivos e negativos. No processo de carregamento, os íons de sódio são removidos do eletrodo positivo e incorporados no eletrodo negativo para formar um eletrodo positivo pobre em NA e um eletrodo negativo rico em Na. No processo de descarga, os íons de sódio são incorporados inversamente no eletrodo positivo a partir do eletrodo negativo para atingir o equilíbrio de carga e descarga. Os elétrons são transferidos no circuito externo, mantendo o equilíbrio de carga com a migração dos íons sódio. Pelas características das baterias de íon de sódio, elas são compatíveis com equipamentos de fabricação de baterias de íon de lítio, que são menos difíceis de industrializar e têm amplas perspectivas de mercado no futuro.
Em termos de densidade de energia, a célula de uma bateria de íon de sódio está geralmente na faixa de 105-150wh/kg. A densidade de energia das células da bateria de íons de lítio geralmente excede 190wh/kg, e alguns sistemas ternários com alto teor de Ni excedem até 230wh/kg. Embora a atual bateria de íon de sódio ainda não possa ser comparada com a bateria ternária de lítio, mas comparada com a bateria de fosfato de ferro-lítio 120-200wh/kg e a bateria de chumbo-ácido 35-45wh/kg, a bateria de íon de sódio tem uma certa competitividade . Em termos de faixa de temperatura operacional e segurança, as baterias de íon de sódio têm vantagens óbvias. Sua faixa de temperatura operacional é de -40% u2103-80% u2103, enquanto a faixa operacional de baterias ternárias de íon de lítio é geralmente de -20% u2103 ~ 60% u2103. Em um ambiente abaixo de 0%°C, o desempenho das baterias de lítio será afetado. Em contraste, as baterias de íon de sódio ainda podem atingir mais de 80% de retenção de SOC a -20% ° C. Além disso, devido à grande resistência interna das baterias de íon de sódio, elas não são fáceis de aquecer, por isso apresentam maior segurança em termos de fuga térmica. Em termos de velocidade de carregamento, as baterias de íon de sódio podem ser totalmente carregadas em apenas 10 minutos, em comparação com pelo menos 40 minutos para baterias ternárias de lítio e 45 minutos para fosfato de ferro-lítio. No geral, embora a densidade energética não possa competir com as baterias de iões de lítio, as baterias de iões de sódio podem muito bem resolver os dois principais problemas dos atuais veículos de nova energia em termos de estabilidade a baixas temperaturas e velocidade de carregamento, e ainda são uma das escolhas consideradas por grandes montadoras.
Uma breve análise da rota técnica do óxido em camadas para baterias de íon de sódio
Material catódico - óxido de metal de transição em camadas
Óxidos de metais de transição com camadas de íons de sódio são geralmente expressos como NaxMO2, onde M é um elemento de metal de transição como Mn, Ni, Cu, Fe, Co, etc. O estudo mostra que o arranjo de NaxMO2 pode ser dividido em tipo O e Tipo P, e seu diagrama de estrutura é o seguinte. A estrutura em camadas deste óxido de metal de transição não apenas fornece canais para incorporação e remoção de íons de sódio, mas também aumenta a estabilidade da estrutura geral, utilizando a estrutura octaédrica MO6. Portanto, o material tem excelente desempenho eletroquímico e é atualmente o principal material de eletrodo positivo para baterias de íon de sódio. Ao mesmo tempo, o material tem alta correlação com a tecnologia eletrolítica.
O material catódico de óxido cúprico CuFeo2 é adequado para baterias de íon de sódio em temperatura ambiente. À base de cobre, o material apresenta capacidade reversível de 220 mAh/g, e seu mecanismo de reação eletroquímica envolve principalmente a reação REDOX de Cu2 /Cu . A tensão de trabalho do CuFeo2 pode chegar a 2,4 V e possui boa estabilidade de ciclo. Este material possui características de baixo custo, excelente desempenho e respeito ao meio ambiente, e tem apresentado certa perspectiva.
Material do eletrodo negativo - material à base de carbono
Existem muitos tipos de materiais anódicos para baterias de íon de sódio, incluindo materiais à base de carbono, materiais à base de titânio, materiais de liga e materiais orgânicos. Entre eles, os materiais à base de carbono são considerados os materiais candidatos mais promissores devido à sua disponibilidade e baixo custo. Os materiais à base de carbono são divididos principalmente em duas categorias: carbono cristalino e carbono amorfo, carbono cristalino principalmente grafite natural e grafite artificial, que são os principais materiais de eletrodo negativo para baterias de íons de lítio. No entanto, quando a grafite é usada como eletrodo negativo da bateria de íons de sódio, a incorporação de íons de sódio não pode ser alcançada, resultando em uma capacidade específica muito baixa para atender às necessidades de aplicações práticas. Os materiais de carbono amorfo incluem principalmente carbono duro e carbono macio. O carbono duro apresenta alta capacidade de descarga inicial, bom desempenho de taxa e estabilidade estrutural, e tem boas vantagens de desempenho eletroquímico, e é atualmente a primeira escolha de materiais de eletrodo negativo. Embora o carbono macio tenha baixo custo, alta atividade eletroquímica e possa fornecer alta capacidade reversível, sua capacidade específica é baixa e o problema de expansão de volume precisa ser resolvido. Devido às vantagens abrangentes de recursos abundantes, baixo custo, diversidade estrutural e excelente desempenho eletroquímico, os materiais de carbono amorfo são geralmente considerados um dos materiais anódicos mais promissores para baterias de íon de sódio na indústria.
O carbono duro pode ser preparado por uma variedade de sistemas precursores, e a diferença do precursor afetará a morfologia microscópica e o grau de defeito do carbono duro final e, em seguida, afetará seu desempenho eletroquímico.
Eletrólito
Além dos materiais de eletrodo positivos e negativos, o eletrólito também é um meio de reação indispensável. O eletrólito da bateria de íon de sódio consiste principalmente em três partes: sal de sódio, solvente e aditivo. O sal de sódio desempenha um papel fundamental no eletrólito, que afeta diretamente o desempenho de carga-descarga e a vida útil da bateria. Para manter o funcionamento estável da bateria, o sal de sódio deve ter boa estabilidade eletroquímica e não pode ter reações colaterais com o material do eletrodo. Idealmente, os sais de sódio devem ser capazes de se dissolver completamente no sistema solvente selecionado e gerar íons de sódio eletroquimicamente ativos, de modo que possam migrar livremente no eletrólito e atingir rapidamente a superfície do eletrodo para reações reversíveis. Além disso, o sal de sódio de alta qualidade também deve minimizar as reações colaterais com outros componentes da bateria para melhorar a segurança da bateria.
Perspectiva de desenvolvimento futuro
Embora em termos de custo, as baterias de íon de sódio tenham vantagens em comparação com as baterias de íon de lítio, há deficiências óbvias na densidade de energia, e atualmente são transportadas principalmente em pequenos miniveículos com baixos requisitos de vida útil da bateria e alta sensibilidade ao custo. Com o desenvolvimento explosivo de novos veículos energéticos nos últimos anos, os recursos de iões de lítio são cada vez mais escassos, e pode-se prever que a tecnologia das baterias de iões de sódio dará início a um período de desenvolvimento dourado. Com o avanço contínuo em materiais, desempenho eletroquímico, segurança e outros aspectos, a industrialização de baterias de íon de sódio também está se acelerando, além dos atuais pequenos e micro veículos elétricos, o futuro também deverá ser transportado em híbridos plug-in veículos, o preço do veículo será ainda mais reduzido.
