Akumulator sodowo-jonowy - Sodium-ion battery

Baterii aldosteronu ( stalówki ) jest typu naładowania baterii analogiczny do akumulatora litowo-jonowego , lecz stosując sodu jony (Na + ), jako wsadu nośników. Jego zasada działania i konstrukcja ogniwa są niemal identyczne z powszechnie stosowanymi w handlu typami akumulatorów litowo-jonowych, ale zamiast związków litu stosuje się związki sodu.

Akumulatory sodowo-jonowe cieszyły się dużym zainteresowaniem akademickim i handlowym w latach 2010 i 2020 jako możliwa technologia uzupełniająca akumulatory litowo-jonowe, głównie ze względu na nierównomierne rozmieszczenie geograficzne, duży wpływ na środowisko i wysoki koszt wielu elementów wymaganych do akumulatorów litowo-jonowych. baterie jonowe. Najważniejsze z nich to lit, kobalt, miedź i nikiel, które nie są ściśle wymagane w przypadku wielu typów akumulatorów sodowo-jonowych. Największą zaletą akumulatorów sodowo-jonowych jest wysoka naturalna zawartość sodu. Dzięki temu komercyjna produkcja akumulatorów sodowo-jonowych byłaby znacznie tańsza niż akumulatorów litowo-jonowych.

Od 2020 r. akumulatory sodowo-jonowe mają bardzo niewielki udział w rynku akumulatorów. Technologia ta nie jest wymieniona w raporcie United States Energy Information Administration na temat technologii przechowywania baterii. Żadne pojazdy elektryczne nie korzystają z akumulatorów sodowo-jonowych. Wyzwania do przyjęcia obejmują niską gęstość energii i ograniczoną liczbę cykli ładowania-rozładowania .

Historia

Rozwój akumulatora sodowo-jonowego odbywał się równolegle z rozwojem akumulatora litowo-jonowego w latach 70. i na początku lat 80. XX wieku. Jednak w latach 90. stało się jasne, że akumulatory litowo-jonowe mają więcej obietnic komercyjnych, powodując spadek zainteresowania akumulatorami sodowo-jonowymi. [ Na początku 2010 roku nastąpiło odrodzenie zainteresowania akumulatorami sodowo-jonowymi, napędzane głównie rosnącym popytem i kosztami surowców do akumulatorów litowo-jonowych.

Zasada działania

Ogniwa akumulatora sodowo-jonowego składają się z katody opartej na materiale zawierającym sód, anody (niekoniecznie z materiału na bazie sodu) i ciekłego elektrolitu zawierającego zdysocjowane sole sodowe w polarnych rozpuszczalnikach protonowych lub aprotonowych . Podczas ładowania jony sodu są wydobywane z katody i wprowadzane do anody, podczas gdy elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny; podczas rozładowywania zachodzi proces odwrotny, w którym jony sodu są ekstrahowane z anody i ponownie wprowadzane do katody, a elektrony przemieszczające się przez obwód zewnętrzny wykonują użyteczną pracę.

Materiały

Ponieważ właściwości fizyczne i elektrochemiczne sodu różnią się od właściwości litu, materiały zwykle stosowane do akumulatorów litowo-jonowych, a nawet ich analogi zawierające sód, nie zawsze nadają się do akumulatorów sodowo-jonowych.

Anody

Dominująca anoda stosowana w komercyjnych akumulatorach litowo-jonowych, grafit , nie może być stosowana w akumulatorach sodowo-jonowych, ponieważ nie może przechowywać większych jonów sodowych w znacznych ilościach. Zamiast tego, obecnie preferowaną anodą jonów sodu z wyboru jest nieuporządkowany materiał węglowy składający się z niegrafityzowalnej, niekrystalicznej i amorficznej struktury węglowej (zwanej „ twardym węglem ”). Magazynowanie sodu w węglu twardym zostało odkryte w 2000 roku. Wykazano, że ta anoda dostarcza 300 mAh/g przy nachylonym profilu potencjału powyżej ⁓0,15 V w porównaniu z Na/Na +, co stanowi mniej więcej połowę pojemności i płaski profil potencjału (potencjał plateau) poniżej < 0,15 V względem Na/Na + . Taka wydajność przechowywania jest podobna do wydajności obserwowanej w przypadku przechowywania litu w anodzie grafitowej dla akumulatorów litowo-jonowych, gdzie typowe są pojemności 300-360 mAh/g. Pierwsze ogniwo sodowo-jonowe wykorzystujące twardy węgiel zostało zademonstrowane w 2003 roku, które wykazało wysokie średnie napięcie 3,7 V podczas rozładowania.

Chociaż twardy węgiel jest zdecydowanie najbardziej preferowaną anodą ze względu na doskonałe połączenie wysokiej pojemności, niższych potencjałów roboczych i dobrej stabilności cyklu, w anodach o niższej wydajności dokonano kilku innych godnych uwagi zmian. Odkryto, że grafit może magazynować sód poprzez współinterkalację rozpuszczalnika w elektrolitach na bazie eteru w 2015 roku: uzyskano niskie pojemności około 100 mAh/g, przy stosunkowo wysokich potencjałach roboczych od 0 do 1,2 V w stosunku do Na/Na + . Niektóre fazy tytanianu sodu, takie jak Na 2 Ti 3 O 7 lub NaTiO 2 , mogą dostarczać pojemności około 90–180 mAh/g przy niskich potencjałach roboczych (< 1 V w porównaniu z Na/Na + ), chociaż stabilność cyklu jest obecnie ograniczona do kilkaset cykli. Istnieją liczne doniesienia o materiałach anodowych magazynujących sód poprzez mechanizm reakcji stopu i/lub mechanizm reakcji konwersji, jednak silne naprężenie-odkształcenie doświadczane na materiale w trakcie powtarzających się cykli przechowywania poważnie ogranicza ich stabilność w cyklach, zwłaszcza w dużych formatować komórki i jest głównym wyzwaniem technicznym, które należy przezwyciężyć za pomocą efektywnego kosztowo podejścia. Naukowcy z Tokyo University of Science osiągnęli 478 mAh/g dzięki nanocząsteczkom magnezu, jak ogłoszono w grudniu 2020 r.

Cząstki grafenu Janus zostały wykorzystane w eksperymentalnych akumulatorach sodowo-jonowych w celu zwiększenia gęstości energii . Jedna strona zapewnia miejsca interakcji, a druga zapewnia separację międzywarstwową. Gęstość energii osiągnęła 337 mAh/g.

Katody

Od 2011 r. osiągnięto znaczny postęp w opracowywaniu katod sodowo-jonowych o wysokiej gęstości energetycznej. Podobnie jak wszystkie katody litowo-jonowe, katody sodowo-jonowe również magazynują sód poprzez mechanizm reakcji interkalacji . Ze względu na wysoką gęstość usadową , wysokie potencjały robocze i duże pojemności, największą uwagę poświęcono katodom opartym na tlenkach sodu metali przejściowych. Z dążenia do utrzymania niskich kosztów przeprowadzono ważne badania mające na celu unikanie lub ograniczanie kosztownych pierwiastków, takich jak Co , Cr , Ni lub V w tlenkach. P2 typu Na 2/3 Fe 1/2 Mn 1/2 O 2 tlenkowej ziem obfitych Fe i Mn środków wykazano odwracalnie przechowywania 190 mAh / g przy średnim napięciu rozładowania 2,75 V vs. Na / Na + wykorzystującego Para redoks Fe 3+/4+ w 2012 roku – taka gęstość energii była równa lub lepsza niż komercyjne katody litowo-jonowe, takie jak LiFePO 4 czy LiMn 2 O 4 . Jednak jego niedobór sodu oznaczał poświęcenie gęstości energii w praktycznie pełnych komórkach. Aby przezwyciężyć niedobór sodu związany z tlenkami P2, włożono znaczne wysiłki w opracowanie tlenków bogatszych w Na. Wykazano, że mieszany typ P3/P2/O3 Na 0,76 Mn 0,5 Ni 0,3 Fe 0,1 Mg 0,1 O 2 dostarcza 140 mAh/g przy średnim napięciu rozładowania 3,2 V w porównaniu z Na/Na + w 2015 roku. typ NaNi 1/4 Na 1/6 Mn 2/12 Ti 4/12 Sn 1/12 O 2 tlenek może dostarczyć 160 mAh/g przy średnim napięciu 3,22 V w porównaniu z Na/Na + , podczas gdy seria domieszkowana na bazie Ni tlenki o stechiometrii Na a Ni (1−x−y−z) Mn x Mg y Ti z O 2 mogą dostarczyć 157 mAh/g w „pełnym ogniwie” z jonami sodu z anodą z twardego węgla (w przeciwieństwie do półogniwowa terminologia stosowana, gdy anodą jest metaliczny sód) przy średnim napięciu rozładowania 3,2 V z wykorzystaniem pary redoks Ni 2+/4+ . Taka wydajność w pełnej konfiguracji ogniw jest lepsza lub porównywalna z dostępnymi obecnie komercyjnymi systemami litowo-jonowymi.

Poza katodami tlenkowymi istnieje zainteresowanie naukowym opracowaniem katod opartych na polianionach. Należałoby oczekiwać, że te katody mają niższą gęstość nasypową z usadem niż katody na bazie tlenku (co negatywnie gęstość udarność uzyskanej baterii jony sodu) z powodu dużych rozmiarach anionem, wiele takich katodach, silniejsze wiązanie kowalencyjne z polianion przekłada się na bardziej wytrzymałą katodę, co pozytywnie wpływa na cykl życia i bezpieczeństwo. Wśród takich katod opartych na polianionach, fosforan sodowo-wanadowy i fluorofosforan wykazały doskonałą stabilność podczas cyklu, a w przypadku tych ostatnich akceptowalnie wysoką pojemność (~120 mAh/g) przy wysokich średnich napięciach rozładowania (~3,6 V w porównaniu z Na/Na + ). Istnieją również doniesienia na temat wielu obiecujące wykorzystaniem różnych błękit pruski i błękit pruski analogów (PBAs) jako katody aldosteronu, z opatentowanego romboedrycznego Na 2 MnFe (CN) 6 szczególnie atrakcyjny wyświetlania 150-160 mAh / g i zdolności średnie napięcie rozładowania 3,4 V i romboedryczna biel pruska Na 1,88(5) Fe[Fe(CN) 6 ]·0,18(9)H 2 O wykazująca początkową pojemność 158 mAh/gi zachowująca 90% pojemności po 50 cyklach.

Elektrolity

W akumulatorach sodowo-jonowych można stosować elektrolity zarówno wodne, jak i niewodne. Ograniczone okno stabilności elektrochemicznej wody powoduje, że akumulatory sodowo-jonowe o niższym napięciu i gęstości energii są ograniczone, gdy stosuje się elektrolity wodne. W celu rozszerzenia zakresu napięcia baterii aldosteronu, takie same niewodny ester węglanowy polarne aprotyczne rozpuszczalniki stosowane w elektrolitach litowo-jonowych, takie jak węglan etylenu , węglan dimetylu , węglan dietylu , węglan propylenu można stosować itp. Obecnie najszerzej stosowany elektrolit niewodny wykorzystuje heksafluorofosforan sodu jako sól rozpuszczoną w mieszaninie tych rozpuszczalników. Dodatkowo można zastosować dodatki do elektrolitu, które mogą poprawić wiele wskaźników wydajności akumulatora. Sód był również uważany za materiał katodowy do półstałych akumulatorów przepływowych .

Zalety i wady w porównaniu z innymi technologiami akumulatorów

Akumulatory sodowo-jonowe mają kilka zalet w porównaniu z konkurencyjnymi technologiami akumulatorów. W porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych, obecne akumulatory sodowo-jonowe mają nieco wyższy koszt, nieco niższą gęstość energii, lepsze parametry bezpieczeństwa i podobną charakterystykę dostarczania mocy. Jeżeli koszt baterii sodowo-jonowych jest dodatkowo zmniejszona, będą preferowane do siatki-magazynowania i przechowywania w domu , gdzie waga baterii nie jest ważne. Jeżeli, oprócz obniżenia kosztów, zwiększy się gęstość energii, akumulatory mogą być wykorzystywane w pojazdach elektrycznych i elektronarzędziach , a także w każdym innym zastosowaniu, w którym obecnie służą akumulatory litowo-jonowe.

Poniższa tabela porównuje ogólne wyniki NIB w porównaniu z dwoma uznanymi technologiami akumulatorów na rynku: akumulatorem litowo-jonowym i akumulatorem kwasowo-ołowiowym .

Akumulator sodowo-jonowy Bateria litowo-jonowa Akumulator kwasowo-ołowiowy
Koszt za kilowatogodzinę pojemności Brak dostępnych danych.

Szacuje się, że jest podobny lub nieco mniejszy niż Li-ion.

137 USD (średnia w 2020 r.). 100–300 USD
Gęstość energii wolumetrycznej 250–375 Wh/L, na podstawie prototypów. 200–683 Wh/L 80–90 Wh/L
Grawimetryczna gęstość energii (energia właściwa) 75–150 W·h/kg, na podstawie prototypów 120–260 W·h/kg 35-40 Wh/kg
Cykle przy 80% głębokości rozładowania Do tysięcy. 3500 900
Bezpieczeństwo Wysoka Niski Umiarkowany
Materiały Obfite na Ziemi Deficytowy Toksyczny
Stabilność na rowerze Wysoki (znikome samorozładowanie) Wysoki (znikome samorozładowanie) Umiarkowane (wysokie samorozładowanie )
Sprawność prądu stałego w obie strony do 92% 85-95% 70–90%
Zakres temperatury -20 °C do 60 °C Dopuszczalne: -20 °C do 60 °C.

Optymalnie: 15 °C do 35 °C

-20 °C do 60 °C

Komercjalizacja

Obecnie na świecie istnieje kilka firm opracowujących komercyjne akumulatory sodowo-jonowe do różnych zastosowań. Poniżej wymieniono niektóre duże firmy.

Faradion Limited : Założona w 2011 roku w Wielkiej Brytanii , ich główna konstrukcja ogniw wykorzystuje katody tlenkowe z twardą anodą węglową i ciekłym elektrolitem. Ich ogniwa w torebce mają gęstość energii porównywalną z komercyjnymi akumulatorami litowo-jonowymi (140-150 Wh/kg na poziomie ogniw) z dobrą wydajnością do 3C i cyklem życia od 300 (100% głębokości rozładowania ) do ponad 1000 cykli (80% głębokość rozładowania). Wykazano przydatność powiększonych akumulatorów do zastosowań w rowerach elektrycznych i hulajnogach elektrycznych. Wykazali również transport komórek jonów sodu w stanie zwarcia (przy 0 V), skutecznie eliminując wszelkie zagrożenia związane z komercyjnym transportem takich komórek. Firmy CTO dr Jerry Barker współwynalazcą kilku powszechnie używane litowo-jonowych i aldosteronu materiałów elektrodowych, takich jak LiM 1 M 2 PO 4 Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 i Na 3 M 2 ( PO4) 2 F 3 oraz metoda syntezy karbotermicznej redukcji materiałów elektrod baterii.

Tiamat : Założona w 2017 roku we Francji firma TIAMAT wydzieliła się z CNRS / CEA po badaniach przeprowadzonych przez grupę zadaniową wokół technologii Na-ion finansowanej w ramach sieci RS2E i projektu UE H2020 o nazwie NAIADES. Technologia opracowana przez TIAMAT koncentruje się na opracowaniu cylindrycznych pełnych ogniw w formacie 18650 opartych na materiałach polianionowych. Dzięki gęstości energii od 100 Wh/kg do 120 Wh/kg dla tego formatu, technologia ta jest przeznaczona do zastosowań na rynkach szybkiego ładowania i rozładowywania. Przy nominalnym napięciu roboczym na poziomie 3,7 V, ogniwa Na-ion są dobrze umiejscowione na rozwijającym się rynku energii.

HiNa Battery Technology Co., Ltd : firma wydzielona z Chińskiej Akademii Nauk (CAS), HiNa Battery powstała w 2017 roku w oparciu o badania przeprowadzone przez grupę prof. Hu Yong-shenga w Instytucie Fizyki w CAS. Akumulatory sodowo-jonowe HiNa są oparte na katodach tlenkowych Na-Fe-Mn-Cu i anodzie węglowej na bazie antracytu i mogą dostarczyć 120 Wh/kg gęstości energii. W 2019 roku poinformowano, że HiNa zainstalowała we wschodnich Chinach bank energii z akumulatorem sodowo-jonowym o mocy 100 kWh.

Natron Energy : spin-off z Uniwersytetu Stanforda , Natron Energy wykorzystuje analogi błękitu pruskiego zarówno dla katody, jak i anody z wodnym elektrolitem.

Altris AB: Altris AB jest spółką typu spin-off 2017 wywodzącą się z Ångström Advanced Battery Center prowadzonego przez prof. Kristinę Edström z Uniwersytetu w Uppsali . Firma sprzedaje zastrzeżony analog błękitu pruskiego na bazie żelaza do elektrody dodatniej w niewodnych akumulatorach z jonami sodowymi, w których jako anodę stosuje się twardy węgiel.

CATL Co., Ltd : Ten duży chiński producent akumulatorów litowo-jonowych, ogłosił w 2021, że przyniesie sodu-jonowy akumulator jest oparty na rynek przez 2023. technologii „pierwszej generacji” używa błękit pruski analogiczny do elektrody dodatniej i porowate węgiel dla elektrody ujemnej. Twierdzą, że ich konkretna gęstość energii wynosi 160 Wh/kg w baterii pierwszej generacji i oczekują, że kolejna generacja osiągnie ponad 200 Wh/kg.

AMTE Power plc : Firma z siedzibą w Wielkiej Brytanii (wcześniej znana jako AGM Batteries Limited) sprzedaje akumulatory sodowo-jonowe pod nazwą ULTRA SAFE o reklamowanej pojemności między 135 - 140 Wh/kg. Oczekuje się, że data premiery produktu to Q3-2022.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki