Munculnya baterai natrium-ion di era baru baterai bertenaga

Mengantar era mobil listrik berbahan bakar natrium

Pada awal tahun 2024, kendaraan listrik baterai natrium-ion pertama di dunia resmi dikirimkan kepada pengguna. Mobil baru tersebut memiliki jangkauan hingga 252 kilometer dan dilengkapi dengan 32.140 baterai silinder ion natrium. Sel mengadopsi rute teknis"basa tembaga seperti oksida karbon keras", kapasitas monomernya adalah 12Ah, kepadatan energinya lebih dari 140Wh/kg, dan memiliki keunggulan berupa keamanan tinggi, kepadatan energi tinggi, dan kinerja suhu rendah yang baik. Dalam beberapa tahun terakhir, termasuk Ningde Times, sodium Energy dan perusahaan domestik lainnya juga telah mempercepat tata letak industri baterai ion natrium, kini telah mencapai produksi batch kecil dan evaluasi kinerja, diharapkan membuka tahun pertama pengembangan trem baterai natrium di 24 tahun.

Ion natrium versus baterai litium-ion

Baterai natrium-ion diharapkan menjadi teknologi baterai sekunder lainnya untuk aplikasi komersial skala besar karena keunggulan uniknya. Dibandingkan dengan baterai lithium-ion, ion natrium memiliki kapasitas interaksi solvasi yang lebih kuat dan radius nyala yang lebih kecil, sehingga memungkinkan larutan elektrolit ion natrium konsentrasi rendah mencapai konduktivitas ionik yang lebih tinggi. Karena natrium dan litium termasuk dalam kelompok utama unsur yang berdekatan, keduanya memiliki kesamaan sifat kimia yang tinggi, sehingga prinsip kerja baterai natrium-ion mirip dengan baterai litium-ion, yaitu mengikuti prinsip kerja baterai natrium-ion."kursi goyang"mekanisme. Baterai ion natrium terdiri dari elektroda positif, elektroda negatif, diafragma, elektrolit, dan pengumpul cairan. Proses pengisian dan pengosongan diwujudkan dengan penyisipan dan pelepasan ion natrium yang dapat dibalik antara bahan elektroda positif dan negatif. Dalam proses pengisian, ion natrium dikeluarkan dari elektroda positif dan tertanam ke dalam elektroda negatif untuk membentuk elektroda positif miskin NA dan elektroda negatif kaya Na. Dalam proses pelepasan, ion natrium tertanam secara terbalik ke dalam elektroda positif dari elektroda negatif untuk mencapai keseimbangan pengisian dan pengosongan. Elektron ditransfer di sirkuit eksternal, menjaga keseimbangan muatan dengan migrasi ion natrium. Karena karakteristik baterai natrium-ion, baterai ini kompatibel dengan peralatan produksi baterai lithium-ion, yang tidak terlalu sulit untuk industrialisasi dan memiliki prospek pasar yang luas di masa depan.

Dalam hal kepadatan energi, sel baterai natrium-ion biasanya berada pada kisaran 105-150wh/kg. Kepadatan energi sel baterai litium-ion umumnya melebihi 190wh/kg, dan beberapa sistem terner dengan kandungan Ni tinggi bahkan melebihi 230wh/kg. Meskipun baterai natrium-ion saat ini belum dapat dibandingkan dengan baterai lithium terner, namun dibandingkan dengan baterai lithium besi fosfat 120-200wh/kg dan baterai asam timbal 35-45wh/kg, baterai natrium-ion memiliki daya saing tertentu. . Dalam hal kisaran suhu pengoperasian dan keamanan, baterai natrium-ion memiliki keunggulan yang jelas. Kisaran suhu pengoperasiannya adalah -40℃-80℃, sedangkan kisaran pengoperasian baterai lithium-ion ternary biasanya -20℃ ~ 60℃. Dalam lingkungan di bawah 0 ° C, kinerja baterai litium akan terpengaruh. Sebaliknya, baterai natrium-ion masih dapat mencapai retensi SOC lebih dari 80% pada -20 ° C. Selain itu, karena resistansi internal baterai natrium-ion yang besar, baterai tidak mudah panas, sehingga menunjukkan keamanan yang lebih tinggi. dalam hal pelarian termal. Dalam hal kecepatan pengisian, baterai natrium-ion dapat terisi penuh hanya dalam 10 menit, dibandingkan dengan setidaknya 40 menit untuk baterai litium terner dan 45 menit untuk litium besi fosfat. Secara keseluruhan, meskipun kepadatan energinya tidak dapat bersaing dengan baterai litium-ion, baterai natrium-ion dapat mengatasi dua masalah utama kendaraan energi baru saat ini dalam hal stabilitas suhu rendah dan kecepatan pengisian daya, dan masih menjadi salah satu pilihan yang dipertimbangkan oleh perusahaan mobil besar.

Analisis singkat tentang rute teknis oksida berlapis untuk baterai ion natrium

Bahan katoda - oksida logam transisi berlapis

Oksida logam transisi berlapis ion natrium biasanya dinyatakan sebagai NaxMO2, dimana M adalah unsur logam transisi seperti Mn, Ni, Cu, Fe, Co, dll. Hasil penelitian menunjukkan bahwa susunan NaxMO2 dapat dibagi menjadi tipe O dan Tipe P, dan diagram strukturnya adalah sebagai berikut. Struktur berlapis oksida logam transisi ini tidak hanya menyediakan saluran untuk penanaman dan pelepasan ion natrium, namun juga meningkatkan stabilitas struktur keseluruhan dengan memanfaatkan struktur oktahedral MO6. Oleh karena itu, bahan tersebut memiliki kinerja elektrokimia yang sangat baik dan saat ini menjadi bahan elektroda positif utama untuk baterai ion natrium. Pada saat yang sama, material tersebut memiliki korelasi yang tinggi dengan teknologi elektrolit.

Bahan katoda oksida tembaga CuFeo2 cocok untuk baterai natrium-ion pada suhu kamar. Berdasarkan tembaga, bahan ini mempunyai kapasitas reversibel sebesar 220 mAh/g, dan mekanisme reaksi elektrokimianya terutama melibatkan reaksi REDOX Cu2 /Cu . Tegangan kerja CuFeo2 bisa mencapai 2,4V, dan memiliki kestabilan siklus yang baik. Bahan ini memiliki karakteristik berbiaya rendah, kinerja sangat baik dan ramah lingkungan, serta telah menunjukkan prospek tertentu.

Bahan elektroda negatif - bahan berbasis karbon

Bahan anoda untuk baterai ion natrium ada banyak macamnya, antara lain bahan berbahan dasar karbon, bahan berbahan dasar titanium, bahan paduan dan bahan organik. Diantaranya, material berbasis karbon dianggap sebagai kandidat material yang paling menjanjikan karena ketersediaannya dan biayanya yang rendah. Bahan berbasis karbon terutama dibagi menjadi dua kategori: karbon kristal dan karbon amorf, karbon kristal terutama grafit alam dan grafit buatan, yang merupakan bahan elektroda negatif utama untuk baterai lithium-ion. Namun, ketika grafit digunakan sebagai elektroda negatif baterai ion natrium, pengikatan ion natrium tidak dapat dicapai, sehingga kapasitas spesifiknya terlalu rendah untuk memenuhi kebutuhan aplikasi praktis. Bahan karbon amorf terutama mencakup karbon keras dan karbon lunak. Karbon keras menunjukkan kapasitas pelepasan awal yang tinggi, kinerja laju dan stabilitas struktural yang baik, serta memiliki keunggulan kinerja elektrokimia yang baik, dan saat ini menjadi pilihan pertama bahan elektroda negatif. Meskipun karbon lunak berbiaya rendah, aktivitas elektrokimia tinggi, dan dapat memberikan kapasitas reversibel yang tinggi, kapasitas spesifiknya rendah, dan masalah perluasan volume perlu diselesaikan. Karena keunggulan komprehensif dari sumber daya yang melimpah, biaya rendah, keragaman struktural, dan kinerja elektrokimia yang sangat baik, bahan karbon amorf umumnya dianggap sebagai salah satu bahan anoda paling menjanjikan untuk baterai ion natrium di industri. 

Karbon keras dapat dibuat dengan berbagai sistem prekursor, dan perbedaan prekursor akan mempengaruhi morfologi mikroskopis dan tingkat cacat karbon keras akhir, dan kemudian mempengaruhi kinerja elektrokimianya.

Elektrolit

Selain bahan elektroda positif dan negatif, elektrolit juga merupakan media reaksi yang sangat diperlukan. Elektrolit baterai ion natrium terutama terdiri dari tiga bagian: garam natrium, pelarut dan aditif. Garam natrium memainkan peran penting dalam elektrolit, yang secara langsung memengaruhi kinerja pengisian-pengosongan dan masa pakai baterai. Untuk menjaga kestabilan pengoperasian baterai, garam natrium harus memiliki stabilitas elektrokimia yang baik dan tidak boleh menimbulkan reaksi samping dengan bahan elektroda. Idealnya, garam natrium harus dapat larut sempurna dalam sistem pelarut yang dipilih dan menghasilkan ion natrium yang aktif secara elektrokimia, sehingga dapat bermigrasi bebas dalam elektrolit dan dengan cepat mencapai permukaan elektroda untuk reaksi reversibel. Selain itu, garam natrium berkualitas tinggi juga harus meminimalkan reaksi samping dengan komponen baterai lainnya untuk meningkatkan keamanan baterai.

Prospek pengembangan di masa depan

Meskipun dari segi biaya, baterai natrium-ion memiliki keunggulan dibandingkan baterai lithium-ion, terdapat kekurangan yang jelas dalam hal kepadatan energi, dan saat ini baterai tersebut sebagian besar dibawa pada kendaraan mini kecil dengan persyaratan masa pakai baterai yang rendah dan sensitivitas biaya yang tinggi. Dengan pesatnya perkembangan kendaraan energi baru dalam beberapa tahun terakhir, sumber daya litium-ion semakin langka, dan teknologi baterai natrium-ion dapat diprediksi akan mengantarkan pada periode perkembangan emas. Dengan terobosan terus-menerus dalam aspek material, kinerja elektrokimia, keselamatan dan lainnya, industrialisasi baterai natrium-ion juga semakin cepat. Selain kendaraan listrik kecil dan mikro saat ini, masa depan juga diharapkan dapat dilakukan dalam hibrida plug-in. kendaraan, harga kendaraan akan semakin diturunkan.