El auge de las baterías de iones de sodio en una nueva era de baterías eléctricas
Marcando el comienzo de la era de los coches eléctricos con baterías de sodio
A principios de 2024, se entregó oficialmente a los usuarios el primer vehículo eléctrico con batería de iones de sodio del mundo. El nuevo vehículo tiene una autonomía de hasta 252 kilómetros y está equipado con 32.140 baterías cilíndricas de iones de sodio. La célula adopta la vía técnica de"base de cobre como óxido carbón duro", la capacidad de monómero es de 12 Ah, la densidad de energía es de más de 140 Wh/kg y tiene las ventajas de alta seguridad, alta densidad de energía y buen rendimiento a baja temperatura. En los últimos años, incluido Ningde Times, Sodium Energy y otras empresas nacionales también han acelerado el diseño de la industria de baterías de iones de sodio, ahora han logrado una producción de lotes pequeños y una evaluación del rendimiento, y se espera que abran el primer año del desarrollo del tranvía de baterías de sodio en 24 años.
Batería de iones de sodio versus batería de iones de litio
Se espera que las baterías de iones de sodio se conviertan en otra tecnología de baterías secundarias para aplicaciones comerciales a gran escala debido a sus ventajas únicas. En comparación con las baterías de iones de litio, los iones de sodio tienen una mayor capacidad de interacción de solvatación y un radio de encendido más pequeño, lo que permite que las soluciones de electrolitos de iones de sodio de baja concentración alcancen una mayor conductividad iónica. Dado que el sodio y el litio pertenecen al mismo grupo principal de elementos adyacentes, los dos tienen una gran similitud en las propiedades químicas, por lo que el principio de funcionamiento de las baterías de iones de sodio es similar al de las baterías de iones de litio, que siguen el"mecedora"mecanismo. La batería de iones de sodio está compuesta por un electrodo positivo, un electrodo negativo, un diafragma, un electrolito y un colector de fluido. El proceso de carga y descarga se realiza mediante incrustación y desincrustación reversible de iones de sodio entre los materiales de los electrodos positivo y negativo. En el proceso de carga, los iones de sodio se eliminan del electrodo positivo y se incrustan en el electrodo negativo para formar un electrodo positivo pobre en NA y un electrodo negativo rico en Na. En el proceso de descarga, los iones de sodio se incrustan de forma inversa en el electrodo positivo desde el electrodo negativo para lograr el equilibrio de carga y descarga. Los electrones se transfieren en el circuito externo, manteniendo el equilibrio de carga con la migración de iones de sodio. Debido a las características de las baterías de iones de sodio, son compatibles con los equipos de fabricación de baterías de iones de litio, que son menos difíciles de industrializar y tienen amplias perspectivas de mercado en el futuro.
En términos de densidad de energía, la celda de una batería de iones de sodio suele estar en el rango de 105-150wh/kg. La densidad de energía de las celdas de las baterías de iones de litio generalmente supera los 190 wh/kg, y algunos sistemas ternarios con alto contenido de Ni incluso superan los 230 wh/kg. Aunque la batería de iones de sodio actual aún no se puede comparar con la batería de litio ternaria, pero en comparación con la batería de fosfato de hierro y litio de 120-200wh/kg y la batería de plomo-ácido de 35-45wh/kg, la batería de iones de sodio tiene cierta competitividad. . En términos de rango de temperatura de funcionamiento y seguridad, las baterías de iones de sodio tienen ventajas obvias. Su rango de temperatura de funcionamiento es -40℃-80℃, mientras que el rango de funcionamiento de las baterías ternarias de iones de litio suele ser -20℃ ~ 60℃. En un ambiente por debajo de 0 ° C, el rendimiento de las baterías de litio se verá afectado. Por el contrario, las baterías de iones de sodio aún pueden alcanzar más del 80 % de retención de SOC a -20 ° C. Además, debido a la gran resistencia interna de las baterías de iones de sodio, no son fáciles de calentar, por lo que muestran una mayor seguridad. en términos de fuga térmica. En términos de velocidad de carga, las baterías de iones de sodio se pueden cargar completamente en solo 10 minutos, en comparación con al menos 40 minutos para las baterías ternarias de litio y 45 minutos para las de fosfato de hierro y litio. En general, aunque la densidad de energía no puede competir con las baterías de iones de litio, las baterías de iones de sodio pueden resolver los dos principales puntos débiles de los vehículos actuales de nueva energía en términos de estabilidad a baja temperatura y velocidad de carga, y siguen siendo una de las opciones consideradas por principales empresas automovilísticas.
Un breve análisis de la ruta técnica del óxido en capas para baterías de iones de sodio.
Material del cátodo: óxido de metal de transición en capas
Los óxidos de metales de transición en capas de iones de sodio generalmente se expresan como NaxMO2, donde M es un elemento de metal de transición como Mn, Ni, Cu, Fe, Co, etc. El estudio muestra que la disposición de NaxMO2 se puede dividir en tipo O y Tipo P, y su diagrama de estructura es el siguiente. La estructura en capas de este óxido de metal de transición no solo proporciona canales para la inclusión y desintegración de iones de sodio, sino que también mejora la estabilidad de la estructura general mediante la utilización de la estructura octaédrica de MO6. Por lo tanto, el material tiene un excelente rendimiento electroquímico y actualmente es el principal material de electrodo positivo para baterías de iones de sodio. Al mismo tiempo, el material tiene una alta correlación con la tecnología de electrolitos.
El material catódico de óxido cúprico CuFeo2 es adecuado para baterías de iones de sodio a temperatura ambiente. A base de cobre, el material presenta una capacidad reversible de 220 mAh/g, y su mecanismo de reacción electroquímica implica principalmente la reacción REDOX de Cu2 /Cu . El voltaje de funcionamiento de CuFeo2 puede alcanzar los 2,4 V y tiene una buena estabilidad de ciclo. Este material tiene las características de bajo costo, excelente rendimiento y respeto al medio ambiente, y ha mostrado ciertas perspectivas.
Material del electrodo negativo: material a base de carbono.
Existen muchos tipos de materiales anódicos para baterías de iones de sodio, incluidos materiales a base de carbono, materiales a base de titanio, materiales de aleación y materiales orgánicos. Entre ellos, los materiales a base de carbono se consideran los materiales candidatos más prometedores debido a su disponibilidad y bajo costo. Los materiales a base de carbono se dividen principalmente en dos categorías: carbono cristalino y carbono amorfo, carbono cristalino principalmente grafito natural y grafito artificial, que son los principales materiales de electrodos negativos para las baterías de iones de litio. Sin embargo, cuando se utiliza grafito como electrodo negativo de la batería de iones de sodio, no se puede lograr la incorporación de iones de sodio, lo que da como resultado una capacidad específica demasiado baja para satisfacer las necesidades de las aplicaciones prácticas. Los materiales de carbono amorfo incluyen principalmente carbono duro y carbono blando. El carbón duro muestra una alta capacidad de descarga inicial, buen rendimiento de velocidad y estabilidad estructural, y tiene buenas ventajas de rendimiento electroquímico y actualmente es la primera opción de materiales de electrodos negativos. Aunque el carbón blando tiene un costo bajo, una alta actividad electroquímica y puede proporcionar una alta capacidad reversible, su capacidad específica es baja y es necesario resolver el problema de la expansión del volumen. Debido a las amplias ventajas de recursos abundantes, bajo costo, diversidad estructural y excelente rendimiento electroquímico, los materiales de carbono amorfo generalmente se consideran uno de los materiales anódicos más prometedores para baterías de iones de sodio en la industria.
El carbono duro se puede preparar mediante una variedad de sistemas precursores, y la diferencia del precursor afectará la morfología microscópica y el grado de defecto del carbono duro final, y luego afectará su rendimiento electroquímico.
Electrólito
Además de los materiales de los electrodos positivos y negativos, el electrolito también es un medio de reacción indispensable. El electrolito de la batería de iones de sodio consta principalmente de tres partes: sal de sodio, disolvente y aditivo. La sal de sodio juega un papel clave en el electrolito, lo que afecta directamente el rendimiento de carga-descarga y la vida útil de la batería. Para mantener el funcionamiento estable de la batería, la sal de sodio debe tener una buena estabilidad electroquímica y no puede tener reacciones secundarias con el material del electrodo. Idealmente, las sales de sodio deberían poder disolverse completamente en el sistema disolvente seleccionado y generar iones de sodio electroquímicamente activos, de modo que puedan migrar libremente en el electrolito y alcanzar rápidamente la superficie del electrodo para reacciones reversibles. Además, la sal de sodio de alta calidad también debería minimizar las reacciones secundarias con otros componentes de la batería para mejorar la seguridad de la batería.
Perspectiva de desarrollo futuro
Aunque en términos de costo, las baterías de iones de sodio tienen ventajas en comparación con las de iones de litio, existen deficiencias obvias en la densidad de energía y actualmente se transportan principalmente en pequeños minivehículos con requisitos de baja duración de la batería y alta sensibilidad al costo. Con el desarrollo explosivo de vehículos de nueva energía en los últimos años, los recursos de iones de litio son cada vez más escasos y se puede predecir que la tecnología de baterías de iones de sodio marcará el comienzo de un período dorado de desarrollo. Con los avances continuos en materiales, rendimiento electroquímico, seguridad y otros aspectos, la industrialización de las baterías de iones de sodio también se está acelerando. Además de los vehículos pequeños y micro eléctricos actuales, también se espera que el futuro llegue a los híbridos enchufables. vehículos, el precio del vehículo se reducirá aún más.
