Ir acīmredzams, ka jaunās enerģētikas nozares griesti ir augstāki nekā paredzēts, un kapitāls joprojām ieplūst, šķietami meklējot nākamo "mūsdienu Amperex tehnoloģiju" jeb "BYD".
Pārskats
Nātrija jonu akumulatori (turpmāk tekstā — "nātrija akumulatori") ir atkārtoti uzlādējamu akumulatoru veids, kas darbojas, uzlādes un izlādes laikā pārvietojot nātrija jonus starp katodu un anodu. To darbības princips un struktūra ir līdzīga plaši izmantotajiem litija jonu akumulatoriem.
Gan nātrijs, gan litijs pieder pie vienas elementu grupas un tiem piemīt līdzīgas "šūpuļkrēsla" elektroķīmiskās uzlādes un izlādes īpašības. Nātrija jonu akumulatora uzlādes procesā nātrija joni atdalās no katoda un iestrādājas anodā, kamēr elektroni pārvietojas pa ārējo ķēdi. Jo vairāk nātrija jonu ir iestrādāti anodā, jo lielāka ir uzlādes kapacitāte. Savukārt izlādes laikā nātrija joni atgriežas no anoda katodā, palielinot izlādes kapacitāti, jo vairāk nātrija jonu pārvietojas atpakaļ.
Darbības princips
Nātrija jonu akumulatoru darbības princips ir līdzīgs litija jonu akumulatoru darbības principam, kas ietver nātrija jonu ievietošanu un izņemšanu, lai panāktu lādiņa pārnesi. Izlādes laikā nātrija joni iziet no anoda materiāla un nonāk katoda materiālā, elektroniem plūstot no anoda uz katodu, atbrīvojot enerģiju.
Uzlādes laikā nātrija joni atdalās no katoda materiāla un caur elektrolītu pārvietojas anoda materiālā, savukārt elektroni ieplūst anoda materiālā caur ārējo ķēdi. Ideālā gadījumā jonu ievietošana un izvadīšana uzlādes un izlādes laikā nedrīkst mainīt materiāla struktūru vai izraisīt blakusparādības ar elektrolītu. Tomēr pašreizējās tehnoloģijas saskaras ar izaicinājumiem nātrija jonu lielākā rādiusa dēļ, kas jonu ievietošanas laikā izraisa materiāla struktūras izmaiņas, kā rezultātā samazinās cikla veiktspēja un stabilitāte.
Priekšrocības
Enerģijas blīvums:Nātrija jonu akumulatoru elementu enerģijas blīvums parasti ir 100–150 Wh/kg, savukārt litija jonu akumulatoru elementu enerģijas blīvums parasti ir no 120 līdz 200 Wh/kg, un augsta niķeļa satura trīskāršajām sistēmām tas pārsniedz 200 Wh/kg. Lai gan nātrija jonu akumulatoriem pašlaik ir zemāks enerģijas blīvums salīdzinājumā ar trīskāršajām litija baterijām, tie var daļēji pārklāties vai aptvert litija dzelzs fosfāta akumulatoru (120–200 Wh/kg) un svina-skābes akumulatoru (30–50 Wh/kg) enerģijas blīvuma diapazonu.
Darba temperatūras diapazons un drošība:Nātrija jonu akumulatori darbojas plašā temperatūras diapazonā, parasti no -40 °C līdz 80 °C. Turpretī trīskāršie litija jonu akumulatori parasti darbojas temperatūrā no -20 °C līdz 60 °C, un to veiktspēja samazinās zem 0 °C. Nātrija jonu akumulatori var uzturēt vairāk nekā 80 % uzlādes stāvokli (SOC) -20 °C temperatūrā. Turklāt, pateicoties augstākai iekšējai pretestībai, nātrija jonu akumulatori ir mazāk pakļauti uzkaršanai īsslēgumu laikā, piedāvājot lielāku drošību salīdzinājumā ar litija jonu akumulatoriem.
Vērtēt veiktspēju:Nātrija jonu akumulatoru uzlādes un izlādes ātruma raksturlielumi ir tieši saistīti ar nātrija jonu migrācijas spēju elektroda un elektrolīta saskarnē. Faktori, kas ietekmē jonu migrācijas ātrumu, ietekmē akumulatora ātruma raksturlielumus. Turklāt iekšējais siltuma izkliedes ātrums ir ļoti svarīgs drošībai un kalpošanas laikam ātrgaitas uzlādes un izlādes laikā. Pateicoties to kristāliskajai struktūrai, nātrija jonu akumulatoriem ir laba ātruma raksturlielumi, kas padara tos piemērotus enerģijas uzglabāšanai un liela mēroga barošanas avotu lietojumprogrammām.
Uzlādes ātrums:Nātrija jonu akumulatorus var pilnībā uzlādēt aptuveni 10 minūtēs, savukārt trīskāršajiem litija akumulatoriem nepieciešamas vismaz 40 minūtes, bet litija dzelzs fosfāta akumulatoriem — aptuveni 45 minūtes.
Nozares klasifikācija
Nātrija jonu akumulatori ir dažādu veidu, tostarp nātrija-sēra akumulatori, nātrija-sāls akumulatori, nātrija-gaisa akumulatori, nātrija jonu ūdens akumulatori, organisko nātrija jonu akumulatori un cietvielu nātrija jonu akumulatori.
Enerģijas uzkrāšanas nozarē galvenās komerciāli izmantotās nātrija baterijas ir augstas temperatūras nātrija-sēra baterijas un nātrija-metāla hlorīda baterijas, kuru pamatā ir cieto elektrolītu sistēmas. Šajās sistēmās kā aktīvais anoda materiāls tiek izmantots metāliskais nātrijs, precīzāk sakot, tās sauc par nātrija baterijām. Parasti termins "nātrija jonu akumulators" attiecas uz pēdējiem trim veidiem.
Nātrija-sēra baterijas:Tajos kā anodu tiek izmantots izkausēts šķidrs nātrijs un kā katods elementārs sērs, bet kā elektrolīts un separators — ciets keramikas Al₂O₃. Nātrija-sēra baterijām ir augsta īpatnējā enerģija.
Nātrija-sāls baterijas:Tajos kā anodu tiek izmantots šķidrs nātrijs, bet kā katodu — metāla hlorīda materiāli, bet kā elektrolīts — Na+ vadītāja Al2O3 keramika.
Nātrija-gaisa baterijas:Katodā parasti tiek izmantoti poraini materiāli, kas materiāla porainības dēļ nodrošina ceļus gāzu difūzijai un vietas elektrodu reakcijām.
Organiskās nātrija jonu baterijas:Anoda izgatavošanai izmanto cieto ogli vai nātrija starpkalācijas materiālus, bet katoda materiāliem, tostarp pārejas metālu oksīdiem un polianjonu savienojumiem, tiek izmantoti arī citi materiāli.
Nātrija jonu ūdens akumulatori:Salīdzinot ar organisko elektrolītu akumulatoriem, nātrija jonu ūdens akumulatoros tiek izmantoti atšķirīgi elektrolīti, kas nodrošina augstāku drošības līmeni.
