Očitno je, da je zgornja meja za novi energetski sektor višja od pričakovane, saj kapital še vedno priteka, očitno v iskanju naslednje »sodobne tehnologije Amperex« ali »BYD«.
Pregled
Natrijeve ionske baterije (imenovane tudi "natrijeve baterije") so vrsta polnilne baterije, ki deluje tako, da med polnjenjem in praznjenjem prenaša natrijeve ione med katodo in anodo. Njihovo načelo delovanja in struktura sta podobna široko uporabljenim litijevim ionskim baterijam.
Tako natrij kot litij spadata v isto skupino elementov in kažeta podobno elektrokemično delovanje pri polnjenju in praznjenju, ki se obnaša kot "zibajoči se stol". Med polnjenjem natrijeve ionske baterije se natrijevi ioni ločijo od katode in vgradijo v anodo, medtem ko elektroni potujejo skozi zunanji tokokrog. Več natrijevih ionov, vgrajenih v anodo, večja je polnilna kapaciteta. Nasprotno pa se med praznjenjem natrijevi ioni vračajo z anode na katodo, kar povečuje praznilno kapaciteto, saj se več natrijevih ionov premika nazaj.
Načelo delovanja
Načelo delovanja natrijevih ionskih baterij je podobno načelu delovanja litij-ionskih baterij, ki vključuje vstavljanje in odvajanje natrijevih ionov za dosego prenosa naboja. Med praznjenjem natrijevi ioni izstopijo iz anodnega materiala in vstopijo v katodni material, pri čemer elektroni tečejo od anode do katode in sproščajo energijo.
Med polnjenjem se natrijevi ioni ločijo od katodnega materiala in se skozi elektrolit premaknejo v anodni material, medtem ko elektroni tečejo v anodni material skozi zunanji tokokrog. V idealnem primeru vstavljanje in odvajanje ionov med polnjenjem in praznjenjem ne sme spremeniti strukture materiala ali povzročiti stranskih reakcij z elektrolitom. Vendar se trenutna tehnologija sooča z izzivi zaradi večjega polmera natrijevih ionov, kar vodi do sprememb v strukturi materiala med vstavljanjem ionov, kar ima za posledico zmanjšano delovanje in stabilnost cikla.
Prednosti
Gostota energije:Natrijevo-ionske baterije imajo običajno energijsko gostoto 100–150 Wh/kg, medtem ko se litijevo-ionske baterije običajno gibljejo med 120 in 200 Wh/kg, pri čemer ternarni sistemi z visoko vsebnostjo niklja presegajo 200 Wh/kg. Čeprav imajo natrijevo-ionske baterije trenutno nižjo energijsko gostoto v primerjavi s ternarnimi litijevimi baterijami, se lahko delno prekrivajo ali pokrivajo razpon energijske gostote litijevo-železo-fosfatnih baterij (120–200 Wh/kg) in svinčevo-kislinskih baterij (30–50 Wh/kg).
Delovno temperaturno območje in varnost:Natrijevo-ionske baterije delujejo v širokem temperaturnem območju, običajno od -40 °C do 80 °C. Nasprotno pa trikomponentne litijevo-ionske baterije običajno delujejo med -20 °C in 60 °C, pri čemer se njihova zmogljivost pod 0 °C zmanjša. Natrijevo-ionske baterije lahko pri -20 °C ohranijo več kot 80 % stanja napolnjenosti (SOC). Poleg tega so zaradi večje notranje upornosti natrijevo-ionske baterije manj nagnjene k segrevanju med kratkimi stiki, kar zagotavlja večjo varnost v primerjavi z litijevo-ionskimi baterijami.
Ocena uspešnosti:Hitrost polnjenja in praznjenja natrijevih ionskih baterij je neposredno povezana s sposobnostjo migracije natrijevih ionov na vmesniku med elektrodo in elektrolitom. Dejavniki, ki vplivajo na hitrost migracije ionov, vplivajo na hitrost baterije. Poleg tega je notranja hitrost odvajanja toplote ključnega pomena za varnost in življenjsko dobo med visokohitrostnim polnjenjem in praznjenjem. Zaradi svoje kristalne strukture imajo natrijeve ionske baterije dobro hitrost polnjenja, zaradi česar so primerne za shranjevanje energije in uporabo v napajanju velikih količin energije.
Hitrost polnjenja:Natrijeve ionske baterije se lahko popolnoma napolnijo v približno 10 minutah, medtem ko ternarne litijeve baterije potrebujejo vsaj 40 minut, litijeve železovo fosfatne baterije pa približno 45 minut.
Klasifikacija industrije
Natrijeve ionske baterije so na voljo v različnih vrstah, vključno z natrijevo-žveplovimi baterijami, natrijevo-solnimi baterijami, natrijevo-zračnimi baterijami, vodnimi natrijevo-ionskimi baterijami, organskimi natrijevo-ionskimi baterijami in trdno-natrijevimi ionskimi baterijami.
V sektorju shranjevanja energije so glavne komercialno uporabljene natrijeve baterije visokotemperaturne natrij-žveplove baterije in natrij-kovinsko-kloridne baterije, ki temeljijo na trdnih elektrolitnih sistemih. Ti sistemi uporabljajo kovinski natrij kot aktivni anodni material, natančneje imenovani natrijeve baterije. Izraz natrij-ionska baterija se običajno nanaša na slednje tri vrste.
Natrijevo-žveplove baterije:Te uporabljajo staljeni tekoči natrij kot anodo in elementarno žveplo kot katodo, trdni keramični Al₂O₃ pa kot elektrolit in separator. Natrijevo-žveplove baterije imajo visoko specifično energijo.
Natrijevo-solne baterije:Kot anodo uporabljajo tekoči natrij, kot katodo pa kovinski klorid, elektrolit pa je keramika Al₂O₃, ki je prevodnik Na+.
Natrijevo-zračne baterije:Katoda običajno uporablja porozne materiale, ki zaradi poroznosti materiala zagotavljajo poti za difuzijo plina in mesta za elektrodne reakcije.
Organske natrijeve ionske baterije:Za anodo uporabljajo trde ogljikove ali natrijeve interkalirane materiale, katodne materiale pa vključujejo prehodne kovinske okside in polianionske spojine.
Vodne natrijeve ionske baterije:V primerjavi z baterijami z organskim elektrolitom vodne natrijeve ionske baterije uporabljajo drugačne elektrolite, kar zagotavlja večjo varnost.
