Очевидно, что потолок для нового энергетического сектора выше, чем ожидалось, и капитал продолжает поступать, по-видимому, в поисках следующей «современной технологии Amperex» или «BYD».
Обзор
Натрий-ионные батареи (далее именуемые «натриевыми батареями») — это тип перезаряжаемых батарей, работа которых основана на перемещении ионов натрия между катодом и анодом во время зарядки и разрядки. Принцип их работы и структура аналогичны широко используемым литий-ионным батареям.
И натрий, и литий принадлежат к одной группе элементов и демонстрируют схожее электрохимическое поведение при зарядке и разрядке, напоминающее «качающееся кресло». В процессе зарядки натрий-ионного аккумулятора ионы натрия отрываются от катода и внедряются в анод, в то время как электроны перемещаются по внешней цепи. Чем больше ионов натрия внедряется в анод, тем выше емкость зарядки. И наоборот, во время разрядки ионы натрия возвращаются с анода на катод, увеличивая емкость разряда по мере возвращения большего количества ионов натрия.
Принцип работы
Принцип работы натрий-ионных батарей аналогичен принципу работы литий-ионных батарей и включает в себя внедрение и извлечение ионов натрия для осуществления переноса заряда. Во время разряда ионы натрия покидают материал анода и поступают в материал катода, при этом электроны перемещаются от анода к катоду, высвобождая энергию.
В процессе зарядки ионы натрия отрываются от катодного материала и перемещаются в анодный материал через электролит, в то время как электроны поступают в анодный материал через внешнюю цепь. В идеале, внедрение и извлечение ионов во время зарядки и разрядки не должны изменять структуру материала или вызывать побочные реакции с электролитом. Однако современные технологии сталкиваются с проблемами из-за большего радиуса ионов натрия, что приводит к изменению структуры материала во время внедрения ионов, в результате чего снижается циклическая производительность и стабильность.
Преимущества
Плотность энергии:Натрий-ионные аккумуляторные элементы обычно имеют плотность энергии 100-150 Вт·ч/кг, в то время как литий-ионные аккумуляторные элементы, как правило, обладают плотностью энергии от 120 до 200 Вт·ч/кг, а высоконикелевые тройные системы превышают 200 Вт·ч/кг. Хотя натрий-ионные батареи в настоящее время имеют более низкую плотность энергии по сравнению с тройными литиевыми батареями, они могут частично перекрывать или покрывать диапазон плотности энергии литий-железо-фосфатных батарей (120-200 Вт·ч/кг) и свинцово-кислотных батарей (30-50 Вт·ч/кг).
Диапазон рабочих температур и правила безопасности:Натрий-ионные батареи работают в широком диапазоне температур, обычно от -40°C до 80°C. В отличие от них, тройные литий-ионные батареи обычно работают в диапазоне от -20°C до 60°C, при этом производительность снижается ниже 0°C. Натрий-ионные батареи могут поддерживать более 80% уровня заряда (SOC) при -20°C. Кроме того, благодаря более высокому внутреннему сопротивлению, натрий-ионные батареи менее подвержены нагреву при коротких замыканиях, что обеспечивает большую безопасность по сравнению с литий-ионными батареями.
Скорость передачи данных:Характеристики скорости заряда и разряда натрий-ионных батарей напрямую связаны со способностью ионов натрия к миграции на границе раздела электрод-электролит. Факторы, влияющие на скорость миграции ионов, воздействуют на скоростные характеристики батареи. Кроме того, скорость внутреннего теплоотвода имеет решающее значение для безопасности и срока службы при высокоскоростном заряде и разряде. Благодаря своей кристаллической структуре натрий-ионные батареи демонстрируют хорошие скоростные характеристики, что делает их пригодными для хранения энергии и крупномасштабных источников питания.
Скорость зарядки:Натрий-ионные батареи полностью заряжаются примерно за 10 минут, тогда как для тройных литиевых батарей требуется не менее 40 минут, а для литий-железо-фосфатных батарей — около 45 минут.
Отраслевая классификация
Натрий-ионные батареи бывают разных типов, включая натрий-серные батареи, натрий-солевые батареи, натрий-воздушные батареи, водные натрий-ионные батареи, органические натрий-ионные батареи и твердотельные натрий-ионные батареи.
В секторе хранения энергии основными коммерчески применяемыми натриевыми батареями являются высокотемпературные натриево-серные батареи и натриево-металлохлоридные батареи на основе твердоэлектролитных систем. В этих системах в качестве активного анодного материала используется металлический натрий, более точно называемые натриевыми батареями. Как правило, термин «натрий-ионная батарея» относится к последним трем типам.
Натриево-серные батареи:В таких батареях в качестве анода используется расплавленный жидкий натрий, в качестве катода — элементарная сера, а в качестве электролита и сепаратора — твердый керамический Al2O3. Натрий-серные батареи обладают высокой удельной энергией.
Натриево-солевые батареи:В этих устройствах в качестве анода используется жидкий натрий, в качестве катода — хлорид металла, а в качестве электролита — керамика Al2O3, проводящая ионы Na+.
Натриево-воздушные батареи:В качестве катода обычно используются пористые материалы, которые обеспечивают пути для диффузии газа и места для электродных реакций благодаря своей пористости.
Органические натрий-ионные батареи:В этих устройствах в качестве анода используются твердый углерод или материалы, интеркалированные натрием, а в качестве катодных материалов — оксиды переходных металлов и полианионные соединения.
Водные натрий-ионные батареи:По сравнению с батареями на основе органических электролитов, в водных натрий-ионных батареях используются другие электролиты, что обеспечивает более высокую безопасность.
