Притяжение На

Ион натрия — еще один инструмент в наборе химиков для борьбы с климатическим кризисом

БОСТОН, 31 мая 2023 г. /PRNewswire/ -- Натрий-ионы, вероятно, являются наиболее известным химическим элементом металл-ионных аккумуляторов, помимо литий-ионных, и работают в том же «кресле-качалке» (когда щелочные ионы перемещаются из неметаллической от анода к катоду при разряде и наоборот при заряде) принцип обратимой интеркаляции катионов на положительном и отрицательном электроде. Материалы также могут быть похожи на литий-ионные, с оксидами металлов, часто используемыми в качестве катода, и материалами на основе углерода в качестве анода. Однако углерод не может быть в форме графита, поскольку размер Na+ слишком велик для интеркаляции, и в действительности выбор материалов может значительно отличаться от химического состава литий-ионных материалов.

Диверсифицированный катодный подход

Три основных семейства катодных материалов — это слоистые оксиды металлов, полианионные соединения и аналоги берлинской лазури (ПБА). Слоистые оксиды переходных металлов имеют двумерную слоистую структуру, которая обеспечивает обратимое внедрение натрия. Большим преимуществом этих соединений является их низкая молекулярная масса, что приводит к высокой теоретической удельной емкости. Однако, помимо наличия умеренного окислительно-восстановительного потенциала, они претерпевают множественные фазовые переходы во время удаления/введения ионов натрия, что приводит к структурной нестабильности во время заряда/разряда, особенно при высоких напряжениях, что приводит к низкой цикличности.

Благодаря высокой стабильности и быстрой подвижности ионов в структурном каркасе полианионные материалы интенсивно изучаются как перспективные катодные материалы для натрий-ионных аккумуляторов. Хотя эти материалы обычно имеют меньшую емкость, чем слоистые оксиды (обычно из-за их более высокой молекулярной массы) и низкую электронную проводимость, они считаются очень привлекательными из-за более высокого напряжения и структурной стабильности.

Третье семейство, представляющее интерес, — это аналоги берлинской лазури (ПБА). Они имеют трехмерную структуру с большими каналами, через которые ионы натрия могут быстро диффундировать. Кроме того, они состоят из обильных, дешевых и нетоксичных элементов. Дополнительным преимуществом ПБА является простота синтеза. Их основным недостатком является низкая плотность, что приводит к низкой объемной плотности энергии по сравнению со слоистыми оксидами.

Как и литий-ионные аккумуляторы, каждое семейство катодных материалов имеет свои преимущества и недостатки (например, с точки зрения электрохимических характеристик, устойчивости, стоимости и т. д.). Учитывая этот сценарий, не существует единой выигрышной химии. Более вероятно, что несколько катодов Na будут сосуществовать, чтобы удовлетворить широкие требования, возникающие в результате широкого рынка для различных приложений. В отчете IDTechEx «Натрий-ионные аккумуляторы на 2023-2033 годы: технологии, игроки, рынки и прогнозы» освещаются промышленные разработки на рынке натрий-ионных аккумуляторов и приводится патентный анализ химических веществ ключевых игроков.

Действительно ли натрий-ионные аккумуляторы экологичны?

Одним из ключевых преимуществ натрий-ионной батареи является то, что она использует экологически чистые материалы. Натрий широко доступен, и можно избежать проблемных материалов, таких как кобальт.

Хотя в катодных материалах с меньшей вероятностью будет использоваться кобальт, в них все же можно использовать относительно дорогие материалы, такие как ванадий. По сравнению с литий-ионным аккумулятором Na-ion можно позиционировать как более экологичный из-за использования натрия вместо лития – это было бы чрезмерным упрощением, учитывая, что литий составляет лишь небольшой процент литий-ионного элемента. Натрий-ионные элементы могут использовать и используют в своих электродах недорогие материалы, но это также может быть справедливо и для литий-ионных элементов с катодами на основе LFP или марганца. Возможность использования алюминия в качестве коллектора как отрицательного, так и положительного тока потенциально может обеспечить экономию средств. Выбор материала электродов также имеет ключевое значение в этом отношении, поскольку могут использоваться как дорогие, так и дешевые материалы.

Возможности действительно существуют из-за потенциальной нехватки поставок лития в среднесрочной перспективе, учитывая отсутствие необходимых инвестиций в добычу сырья. Несмотря на то, что имеется достаточный ресурс лития для удовлетворения прогнозируемого спроса на литий-ионные аккумуляторы до учета переработки, мощности по добыче этого лития не растут необходимыми темпами, что открывает возможности для альтернативных химических процессов (например, Na-ионов) в среде и долгосрочный. В отчете IDTechEx о натрий-ионных батареях прогнозируется рост спроса на натрий-ионные батареи в таких приложениях, как стационарные накопители энергии и электромобили Micro.