Achtergrond

Lithium-ionbatterijen worden sinds de jaren negentig op grote schaal gebruikt als oplaadbare batterijen vanwege hun hoge omkeerbare capaciteit en cyclusstabiliteit. Met de substantiële stijging van de prijs van lithium en de toenemende vraag naar lithium en andere basiscomponenten van lithium-ionbatterijen, dwingt het toenemende tekort aan upstream-grondstoffen voor lithiumbatterijen ons om nieuwe en goedkopere elektrochemische systemen te onderzoeken op basis van bestaande overvloedige elementen . Goedkopere natrium-ionbatterijen zijn de beste optie. De natriumionbatterij werd bijna samen met de lithiumionbatterij ontdekt, maar vanwege de grote ionenradius en de lage capaciteit zijn mensen eerder geneigd lithiumelektriciteit te bestuderen, en het onderzoek naar de natriumionbatterij liep bijna vast. Met de snelle groei van elektrische voertuigen en de energieopslagindustrie de afgelopen jaren heeft de natrium-ionbatterij, die tegelijk met de lithium-ionbatterij is voorgesteld, opnieuw mensen aangetrokken's aandacht.

Lithium, natrium en kalium zijn allemaal alkalimetalen in het periodiek systeem der elementen. Ze hebben vergelijkbare fysische en chemische eigenschappen en kunnen in theorie worden gebruikt als secundaire batterijmaterialen. Natriumbronnen zijn zeer rijk, wijd verspreid in de aardkorst en eenvoudig te winnen. Als vervanging van lithium krijgt natrium steeds meer aandacht op het gebied van batterijen. De batterijfabrikantsklauterenom de technologieroute van natrium-ionbatterijen te lanceren.Leidende adviezen over het versnellen van de ontwikkeling van nieuwe energieopslag, Wetenschappelijk en technologisch innovatieplan op energiegebied tijdens de 14e vijfjarenplanperiode, EnImplementatieplan voor de ontwikkeling van nieuwe energieopslag tijdens de 14e vijfjarenplanperiodeuitgegeven door de National Development and Reform Commission en de National Energy Administration hebben aangegeven een nieuwe generatie hoogwaardige energieopslagtechnologieën te willen ontwikkelen, zoals natrium-ionbatterijen. Het Ministerie van Industrie en Informatietechnologie (MIIT) heeft ook nieuwe batterijen, zoals natrium-ionbatterijen, gepromoot als ballast voor de ontwikkeling van de nieuwe energie-industrie. Industrienormen voor natrium-ionbatterijen zijn ook in de maak. Er wordt verwacht dat naarmate de industrie de investeringen verhoogt, de technologie volwassen wordt en de industriële keten geleidelijk wordt verbeterd, de natrium-ionbatterij met hoge kostenprestaties naar verwachting een deel van de markt voor lithium-ionbatterijen zal innemen.

Natrium-ionbatterij versus lithium-ionbatterij

• De koolstof-negatieve elektrode van een natrium-ionbatterij heeft lagere kosten en een grotere modificatieruimte dan die van grafiet.
• Aluminiumfolie kan worden gebruikt als stroomcollector voor de positieve en negatieve elektrode van natriumionbatterijen. Lithium-ionbatterijen hebben een laag negatief potentieel en moeten koperfolie gebruiken die niet is gecorrodeerd. Natrium-ionbatterijen hebben daarentegen een hoog negatief potentieel, dus ze legeren niet met natrium. Aluminiumfolie is qua gewicht en kosten lager dan koperfolie.
• In de elektrolyt is de oplosbaarheid van Na⁺ is ongeveer 30% lager dan die van Li⁺. De oplossnelheid is hoog en de ladingsoverdrachtsweerstand bij het elektrode-elektrolyt-grensvlak is klein, wat een betere elektrodedynamiek oplevert. Daarom is de ontladingssnelheid van natriumionenlading hoog bij hoge en lage temperaturen, en zijn de prestaties bij lage temperaturen uitstekend en kan deze snel worden opgeladen.
• Natriumionbatterijen hebben een ruimere keuze aan positieve elektrodematerialen. Bijna alle overgangsmetaalelementen in de eerste rij van het periodiek systeem kunnen worden gebruikt in natriumionbatterijen. Dit komt door het grote verschil in grootte tussen Na⁺ (straal 0,102 nm) en overgangsmetaalionen (straal 0,05-0,07 nm), wat bevorderlijk is voor hun scheiding.
• De interne weerstand van een natrium-ionbatterij is hoger dan die van een lithium-ionbatterij. In het geval van kortsluiting is de momentane warmte minder, is de temperatuurstijging langzamer en is de thermische overlooptemperatuur hoger dan die van een lithiumbatterij, daarom is een natrium-ionbatterij veiliger.
• De grote straal van natriumionen kan leiden tot materiaalbreuk wanneer het uit het elektrodemateriaal wordt verwijderd, waardoor de algehele kinetische prestaties van de batterij en de integriteit van de elektrode worden beïnvloed.
• Natrium heeft een veel hoger standaard elektrodepotentieel (0,33 V hoger dan lithium), wat resulteert in een lagere energiedichtheid en waardoor het moeilijk wordt om te concurreren met lithium-ionbatterijen in de energiesector.

Laatste onderzoeksvoortgang

De afgelopen jaren omvat het onderzoek naar natriumionbatterijen onder meer geavanceerd kobaltvrij kathodemateriaal voor natriumionbatterijen, goedkoop polyanionisch sulfaat voor de positieve elektrode van natriumionbatterijen, nano-pb-verbindingen die worden gebruikt in de positieve elektrode van natriumionbatterijen. -ionbatterijen, fundamenteel onderzoek naar organische anodematerialen voor natriumionbatterijen voor potentiële commerciële toepassingen, op tin gebaseerde metaaloxiden en sulfiden gebruikt als anodematerialen voor natriumionbatterijen, nano-engineering van geavanceerde koolstofmaterialen in natriumionbatterijen, en toepassing van geavanceerde in situ karakterisering in de studie van natrium-ionbatterijen. Over het algemeen is het nog steeds een hotspot voor onderzoek om hoogwaardige positieve en negatieve elektrodematerialen te verkrijgen op basis van de aspecten van het optimaliseren van modificatiemiddelen, het verbeteren van bereidingsmethoden en het onderzoeken van natriumopslagmechanismen om het algehele concurrentievermogen van natriumionbatterijen te verbeteren.