Аккумуляторы приобретают решающее значение в повседневной жизни, и тот, кто придумает лучший аккумулятор, получит мир на блюдечке. Натрий-ионные аккумуляторы являются главным претендентом на корону литий-ионных аккумуляторов, но что именно делает их особенными?
Что такое натрий-ионный Аккумулятор
Натрий-ионные аккумуляторы — это аккумуляторы, в которых вместо ионов лития для накопления и высвобождения энергии используются ионы натрия (мельчайшие частицы с положительным зарядом). Натрий-ионные аккумуляторы начали демонстрировать коммерческую жизнеспособность в 1990-х годах как возможная альтернатива литий-ионным аккумуляторам, которые обычно используются в телефонах и электромобилях.
Как работают натрий-ионные Аккумуляторы
Натрий-ионные аккумуляторы, также называемые Na-ионными аккумуляторами, используют химическую реакцию для хранения и высвобождения электроэнергии. Как и все аккумуляторы, они имеют два электрода (положительный электрод-анод и отрицательный электрод — катод), разделенные электролитом, который представляет собой особое вещество, позволяющее ионам (мельчайшим частицам с положительным или отрицательным зарядом) перемещаться между электродами.
Натрий-ионные аккумуляторы работают аналогично литий-ионным аккумуляторам, но вместо ионов лития в них используются ионы натрия. Выбор материалов для электродов и электролитов может повлиять на производительность и срок службы аккумулятора, поэтому исследователи постоянно экспериментируют с различными комбинациями, чтобы найти наилучшее сочетание стоимости, производительности и безопасности. Обычно катод (отрицательный электрод) и электролит содержат натрий.
Разница между Натрий-ионными и Литий-ионными аккумуляторами
Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время доминируют, и существует множество исследований, чтобы сделать их еще лучше, чем они есть сейчас. Тем не менее, у натрий-ионных аккумуляторов есть несколько явных преимуществ перед ними.
- Натрий является гораздо более распространенным элементом, чем литий, что делает его более доступным и дешевым. Это может сделать натрий-ионные аккумуляторы менее дорогими в производстве, чем литий-ионные, и при этом более экологичными!
- Натрий-ионные аккумуляторы могут обеспечить такую же плотность энергии, как и литий-ионные аккумуляторы, что делает их подходящими для широкого круга аналогичных применений, хотя они еще не так распространены.
- Натрий-ионные аккумуляторы обычно считаются более безопасными, чем литий-ионные, поскольку они менее склонны к перегреву и возгоранию. Хотя несколько экспериментальных литиевых аккумуляторов продемонстрировали невероятную устойчивость к повреждениям, которые могут привести к взрыву современных аккумуляторов.
Недостатки натрий-ионных аккумуляторов
Идеальной аккумуляторной технологии не существует, и есть несколько причин, по которым натрий-ионные аккумуляторы еще не вытеснили литиевые.
- Натрий-ионные аккумуляторы имеют более низкое напряжение (2,5 В), чем литий-ионные аккумуляторы (3,7 В), что означает, что они могут не подходить для устройств с высокой мощностью, которые требуют быстрой доставки большого количества энергии.
- У них более низкая скорость зарядки/разрядки, чем у литий-ионных аккумуляторов, что может не подходить для устройств, требующих быстрой подачи большой мощности (например, электромобилей).
- Натрий-ионные аккумуляторы по-прежнему имеют ограниченное количество циклов зарядки до того, как аккумулятор начнет разлагаться, а некоторые химические элементы литий-ионных аккумуляторов (такие как LiFeP04 ) могут достигать 10 000 циклов до разложения.
Помимо этих технических плюсов и минусов, в производственной цепочке для натрий-ионных аккумуляторов все еще есть некоторые проблемы, которые необходимо устранить, прежде чем они смогут стать широко распространенным коммерческим продуктом. Не говоря уже о том, что инженеры и ученые работают над устранением оставшихся слабых мест этой аккумуляторной технологии.
В чём преимущество натрий-ионных аккумуляторов
Исследователи и компании по всему миру работают над улучшением производительности и коммерческой жизнеспособности натрий-ионных аккумуляторов. Некоторые ключевые направления включают повышение плотности энергии и напряжения натрий-ионных аккумуляторов, а также увеличение их срока службы и скорости заряда/разряда.
Если эти усилия увенчаются успехом, в будущем натрий-ионные аккумуляторы могут стать жизнеспособной альтернативой литий-ионным аккумуляторам. Потенциально их можно использовать в различных устройствах, включая портативную электронику, электромобили и стационарные системы хранения энергии.
В 2022 году исследователи совершили крупный прорыв в повышении долговечности натрий-ионных аккумуляторов. Изменив некоторые химические элементы в аккумуляторе, прототип его размером с монету проработал более 300 циклов заряда/разряда, сохраняя при этом более 90% емкости. Однако даже без этого нового подхода к химии кажется, что натрий-ионные аккумуляторы все равно вот-вот уйдут в массовое производство.
Массовое производство Натрий-ионных аккумуляторов уже началось
В декабре 2022 года сообщалось, что компания HiNa в партнерстве с китайской государственной корпорацией China Three Gorges Corporation начала массовое производство натрий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы HiNa первого поколения имеют показатели плотности энергии 125 Втч/кг, что примерно вдвое меньше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Однако эти аккумуляторы рассчитаны примерно на 4500 циклов зарядки, что значительно больше, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов.
Типичные литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют плотность энергии, аналогичную натрий-ионным аккумуляторам, и номинальное количество циклов зарядки также аналогично. Это ставит натрий-ионные аккумуляторы в прямую конкуренцию этим аккумуляторам в таких применениях, как резервный инвертор или электромобили.
Планируется, что следующее поколение этих аккумуляторов HiNa будет иметь плотность энергии 200 Втч/кг, и ожидается, что последующие поколения превысят эту величину. Учитывая, что некоторые электромобили, использующие литиевые аккумуляторы, имеют плотность энергии ниже 250 Втч/кг, эти ранние серийные натрий-ионные аккумуляторы имеют серьезный потенциал для снижения стоимости хранения энергии.
Однако, как и в случае с аккумуляторами LiFeP04, не ожидайте, что эта технология появится в вашем смартфоне или ноутбуке в ближайшее время. В этих небольших устройствах плотность энергии по-прежнему является наиболее важным фактором. Тем не менее, не удивляйтесь, если в ближайшем будущем ваш электромобиль или солнечная батарея станут немного более солеными.
