การเพิ่มขึ้นของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนในยุคใหม่ของแบตเตอรี่พลังงาน
เข้าสู่ยุครถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่โซเดียม
ในต้นปี 2024 รถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่โซเดียมไอออนคันแรกของโลกได้ถูกส่งมอบให้กับผู้ใช้อย่างเป็นทางการ รถใหม่มีพิสัยการเดินทางสูงสุด 252 กิโลเมตร และติดตั้งแบตเตอรี่ทรงกระบอกโซเดียมไอออน 32,140 เซลล์ใช้เส้นทางทางเทคนิคของ"ฐานทองแดงเช่นออกไซด์ คาร์บอนแข็ง"ความจุโมโนเมอร์คือ 12Ah ความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 140Wh/กิโลกรัม และมีข้อดีด้านความปลอดภัยสูง ความหนาแน่นของพลังงานสูง และประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำที่ดี ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา รวมถึง หนิงเต๋อ ครั้ง, โซเดียม พลังงาน และองค์กรในประเทศอื่น ๆ ได้เร่งรูปแบบของอุตสาหกรรมแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ซึ่งขณะนี้ได้บรรลุการผลิตชุดเล็กและการประเมินประสิทธิภาพ คาดว่าจะเปิดในปีแรกของการพัฒนารถรางโซเดียมใน 24 ปี.
โซเดียมไอออนกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
แบตเตอรี่โซเดียมไอออนคาดว่าจะกลายเป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่สำรองสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ เนื่องจากมีข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โซเดียมไอออนมีความสามารถในการโต้ตอบของสารละลายได้ดีกว่าและมีรัศมีสโตกน้อยกว่า ซึ่งช่วยให้สารละลายอิเล็กโทรไลต์โซเดียมไอออนความเข้มข้นต่ำสามารถบรรลุค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกที่สูงขึ้นได้ เนื่องจากโซเดียมและลิเธียมอยู่ในกลุ่มหลักขององค์ประกอบที่อยู่ติดกัน ทั้งสองจึงมีคุณสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกันสูง ดังนั้นหลักการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงคล้ายกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งเป็นไปตาม"เก้าอี้โยก"กลไก. แบตเตอรี่โซเดียมไอออนประกอบด้วยอิเล็กโทรดบวก อิเล็กโทรดลบ ไดอะแฟรม อิเล็กโทรไลต์ และตัวสะสมของเหลว กระบวนการชาร์จและคายประจุเกิดขึ้นได้จากการฝังและการแยกโซเดียมไอออนแบบย้อนกลับได้ระหว่างวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบ ในกระบวนการชาร์จ ไอออนโซเดียมจะถูกเอาออกจากอิเล็กโทรดบวกและฝังลงในอิเล็กโทรดลบเพื่อสร้างอิเล็กโทรดบวกที่มี นา ต่ำและอิเล็กโทรดลบที่มี นา มาก ในกระบวนการคายประจุ ไอออนโซเดียมจะถูกฝังกลับเข้าไปในอิเล็กโทรดบวกจากอิเล็กโทรดลบ เพื่อให้เกิดความสมดุลของประจุและการคายประจุ อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังวงจรภายนอก โดยจะรักษาสมดุลประจุพร้อมกับการโยกย้ายของโซเดียมไอออน เนื่องจากคุณลักษณะของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน จึงเข้ากันได้กับอุปกรณ์การผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งยากต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมและมีแนวโน้มทางการตลาดในวงกว้างในอนาคต
ในแง่ของความหนาแน่นของพลังงาน เซลล์ของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนมักจะอยู่ในช่วง 105-150wh/กิโลกรัม ความหนาแน่นพลังงานของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยทั่วไปเกิน 190wh/กิโลกรัม และระบบไตรภาคบางระบบที่มีปริมาณ นิ สูงก็เกิน 230wh/กิโลกรัม ด้วยซ้ำ แม้ว่าแบตเตอรี่โซเดียมไอออนในปัจจุบันยังไม่สามารถเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคได้ แต่เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต 120-200wh/กิโลกรัม และแบตเตอรี่กรดตะกั่ว 35-45wh/กิโลกรัม แบตเตอรี่โซเดียมไอออนมีขีดความสามารถในการแข่งขันที่แน่นอน . ในแง่ของช่วงอุณหภูมิการทำงานและความปลอดภัย แบตเตอรี่โซเดียมไอออนมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจน ช่วงอุณหภูมิในการทำงานคือ -40℃-80℃ ในขณะที่ช่วงการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบไตรภาคมักจะอยู่ที่ -20℃ ~ 60℃ ในสภาพแวดล้อมที่ต่ำกว่า 0 ° C ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมจะได้รับผลกระทบ ในทางตรงกันข้าม แบตเตอรี่โซเดียมไอออนยังคงสามารถรักษาระดับ ซ ได้มากกว่า 80% ที่อุณหภูมิ -20 ° C นอกจากนี้ เนื่องจากความต้านทานภายในขนาดใหญ่ของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน จึงทำให้ไม่ร้อนง่าย ดังนั้นจึงแสดงความปลอดภัยที่สูงกว่า ในแง่ของการหนีความร้อน ในแง่ของความเร็วในการชาร์จ แบตเตอรี่โซเดียมไอออนสามารถชาร์จจนเต็มได้ในเวลาเพียง 10 นาที เมื่อเทียบกับอย่างน้อย 40 นาทีสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคและ 45 นาทีสำหรับลิเธียมเหล็กฟอสเฟต โดยรวมแล้ว แม้ว่าความหนาแน่นของพลังงานจะไม่สามารถแข่งขันกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ แต่แบตเตอรี่โซเดียมไอออนสามารถแก้ปัญหาหลักสองประการของรถยนต์พลังงานใหม่ในปัจจุบันได้เป็นอย่างดี ในแง่ของความเสถียรของอุณหภูมิต่ำและความเร็วในการชาร์จ และยังคงเป็นหนึ่งในตัวเลือกที่พิจารณาโดย บริษัทรถยนต์รายใหญ่
การวิเคราะห์โดยย่อเกี่ยวกับเส้นทางทางเทคนิคของเลเยอร์ออกไซด์สำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออน
วัสดุแคโทด - โลหะทรานซิชันออกไซด์แบบชั้น
โลหะทรานซิชันออกไซด์ที่มีชั้นโซเดียม-ไอออนมักจะแสดงเป็น NaxMO2 โดยที่ M คือองค์ประกอบโลหะทรานซิชัน เช่น มน, นิ, ลูกบาศ์ก, เฟ, บริษัท เป็นต้น การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการจัดเรียง NaxMO2 สามารถแบ่งออกเป็นประเภท O และ P-พิมพ์ และแผนภาพโครงสร้างมีดังนี้ โครงสร้างแบบชั้นของโลหะทรานซิชันออกไซด์นี้ไม่เพียงแต่ให้ช่องทางสำหรับการฝังและการแยกโซเดียมไอออนเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความเสถียรของโครงสร้างโดยรวมโดยการใช้โครงสร้างแปดด้าน มธ6 ดังนั้นวัสดุนี้จึงมีสมรรถนะทางเคมีไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมและปัจจุบันเป็นวัสดุอิเล็กโทรดบวกกระแสหลักสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ในขณะเดียวกัน วัสดุก็มีความสัมพันธ์สูงกับเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลต์
วัสดุแคโทดคิวปริกออกไซด์ CuFeo2 เหมาะสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่อุณหภูมิห้อง วัสดุนี้มีพื้นฐานจากทองแดง โดยมีความจุแบบผันกลับได้ที่ 220 มิลลิแอมป์/g และกลไกปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยารีดอกซ์ของ Cu2 /ลูกบาศ์ก เป็นหลัก แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของ CuFeo2 สามารถเข้าถึง 2.4V และมีเสถียรภาพของวงจรที่ดี วัสดุนี้มีลักษณะของต้นทุนต่ำ ประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยม และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และได้แสดงให้เห็นโอกาสที่แน่นอน
วัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบ - วัสดุที่มีคาร์บอน
มีวัสดุแอโนดหลายประเภทสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออน รวมถึงวัสดุที่มีคาร์บอน วัสดุที่มีไทเทเนียม วัสดุโลหะผสม และวัสดุอินทรีย์ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ วัสดุที่มีคาร์บอนถือเป็นวัสดุที่อาจมีแนวโน้มมากที่สุดเนื่องจากมีความพร้อมและมีต้นทุนต่ำ วัสดุที่ใช้คาร์บอนส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภท: คาร์บอนผลึกและคาร์บอนอสัณฐาน คาร์บอนผลึกส่วนใหญ่เป็นกราไฟท์ธรรมชาติและกราไฟท์เทียม ซึ่งเป็นวัสดุอิเล็กโทรดลบหลักสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้กราไฟท์เป็นขั้วลบของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน จะไม่สามารถฝังโซเดียมไอออนได้ ส่งผลให้ความจุจำเพาะต่ำเกินไปที่จะตอบสนองความต้องการของการใช้งานจริง วัสดุคาร์บอนอสัณฐานส่วนใหญ่ประกอบด้วยคาร์บอนแข็งและคาร์บอนอ่อน คาร์บอนแข็งแสดงความสามารถในการคายประจุเริ่มต้นสูง ประสิทธิภาพอัตราที่ดีและความเสถียรของโครงสร้าง และมีข้อดีด้านประสิทธิภาพเคมีไฟฟ้าที่ดีและปัจจุบันเป็นตัวเลือกแรกของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบ แม้ว่าคาร์บอนอ่อนจะมีต้นทุนต่ำ มีฤทธิ์ทางเคมีไฟฟ้าสูง และสามารถให้กำลังการผลิตย้อนกลับได้สูง แต่กำลังการผลิตจำเพาะของคาร์บอนนั้นต่ำ และจำเป็นต้องแก้ไขปัญหาการขยายปริมาตร เนื่องจากข้อได้เปรียบที่ครอบคลุมของทรัพยากรที่มีอยู่มากมาย ต้นทุนต่ำ ความหลากหลายของโครงสร้าง และประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม โดยทั่วไปแล้ววัสดุคาร์บอนอสัณฐานจึงถูกพิจารณาว่าเป็นหนึ่งในวัสดุแอโนดที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนในอุตสาหกรรม
คาร์บอนแข็งสามารถเตรียมได้โดยใช้ระบบสารตั้งต้นที่หลากหลาย และความแตกต่างของสารตั้งต้นจะส่งผลต่อสัณฐานวิทยาระดับจุลภาคและระดับข้อบกพร่องของคาร์บอนแข็งสุดท้าย จากนั้นส่งผลต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของมัน
อิเล็กโทรไลต์
นอกจากวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบแล้ว อิเล็กโทรไลต์ยังเป็นสื่อปฏิกิริยาที่ขาดไม่ได้อีกด้วย อิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่โซเดียมไอออนส่วนใหญ่ประกอบด้วยสามส่วน: เกลือโซเดียม ตัวทำละลาย และสารเติมแต่ง เกลือโซเดียมมีบทบาทสำคัญในอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการคายประจุและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ เพื่อรักษาการทำงานที่เสถียรของแบตเตอรี่ เกลือโซเดียมจะต้องมีความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าที่ดีและจะต้องไม่มีปฏิกิริยาข้างเคียงกับวัสดุอิเล็กโทรด ตามหลักการแล้ว เกลือโซเดียมควรจะสามารถละลายได้อย่างสมบูรณ์ในระบบตัวทำละลายที่เลือก และสร้างไอออนโซเดียมที่ทำงานด้วยเคมีไฟฟ้า เพื่อให้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในอิเล็กโทรไลต์ และไปถึงพื้นผิวอิเล็กโทรดอย่างรวดเร็วสำหรับปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ นอกจากนี้ เกลือโซเดียมคุณภาพสูงควรลดปฏิกิริยาข้างเคียงกับส่วนประกอบอื่นๆ ของแบตเตอรี่ให้เหลือน้อยที่สุด เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่
แนวโน้มการพัฒนาในอนาคต
แม้ว่าในแง่ของต้นทุน แบตเตอรี่โซเดียมไอออนมีข้อได้เปรียบเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่ก็มีข้อบกพร่องด้านความหนาแน่นของพลังงานอย่างเห็นได้ชัด และในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้งานกับรถยนต์ขนาดเล็กขนาดเล็กที่มีความต้องการอายุการใช้งานแบตเตอรี่ต่ำและมีความอ่อนไหวต่อต้นทุนสูง ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของรถยนต์พลังงานใหม่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทรัพยากรลิเธียมไอออนจึงขาดแคลนมากขึ้นเรื่อยๆ และสามารถคาดการณ์ได้ว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซเดียมไอออนจะนำไปสู่ยุคทองของการพัฒนา ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวัสดุ ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า ความปลอดภัย และด้านอื่นๆ การพัฒนาอุตสาหกรรมของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนก็กำลังเร่งตัวเช่นกัน นอกเหนือจากรถยนต์ไฟฟ้าขนาดเล็กและไมโครในปัจจุบัน คาดว่าในอนาคตจะใช้ปลั๊กอินไฮบริด ยานพาหนะราคารถยนต์จะถูกดึงลงอีก
