L'essor des batteries sodium-ion dans une nouvelle ère de batteries de puissance
Inauguration de l’ère des voitures électriques à batterie au sodium
Début 2024, le premier véhicule électrique à batterie sodium-ion au monde a été officiellement livré aux utilisateurs. La nouvelle voiture a une autonomie allant jusqu'à 252 kilomètres et est équipée de 32 140 batteries cylindriques sodium-ion. La cellule adopte la voie technique de"base de cuivre comme oxyde carbone dur", la capacité du monomère est de 12 Ah, la densité énergétique est supérieure à 140 Wh/kg et présente les avantages d'une sécurité élevée, d'une densité énergétique élevée et de bonnes performances à basse température. Ces dernières années, y compris le Ningde Times, sodium Energy et d'autres entreprises nationales ont également accéléré la configuration de l'industrie des batteries sodium-ion, ont maintenant réalisé une production en petits lots et une évaluation des performances, devraient ouvrir la première année du développement du tramway à batterie sodium en 24 ans.
Batterie sodium-ion contre batterie lithium-ion
Les batteries sodium-ion devraient devenir une autre technologie de batteries secondaires pour les applications commerciales à grande échelle en raison de leurs avantages uniques. Par rapport aux batteries lithium-ion, les ions sodium ont une capacité d'interaction de solvatation plus forte et un rayon de stokes plus petit, ce qui permet aux solutions électrolytes d'ions sodium à faible concentration d'atteindre une conductivité ionique plus élevée. Étant donné que le sodium et le lithium appartiennent au même groupe principal d'éléments adjacents, leurs propriétés chimiques sont très similaires. Le principe de fonctionnement des batteries sodium-ion est donc similaire à celui des batteries lithium-ion, qui suivent le principe de fonctionnement des batteries sodium-ion."fauteuil à bascule"mécanisme. La batterie sodium-ion est composée d'une électrode positive, d'une électrode négative, d'un diaphragme, d'un électrolyte et d'un collecteur de fluide. Le processus de charge et de décharge est réalisé par intégration et désintégration réversibles de l'ion sodium entre les matériaux des électrodes positives et négatives. Au cours du processus de charge, les ions sodium sont retirés de l'électrode positive et intégrés dans l'électrode négative pour former une électrode positive pauvre en NA et une électrode négative riche en Na. Dans le processus de décharge, les ions sodium sont intégrés de manière inversée dans l'électrode positive à partir de l'électrode négative pour obtenir un équilibre de charge et de décharge. Les électrons sont transférés dans le circuit externe, maintenant l'équilibre des charges avec la migration des ions sodium. En raison des caractéristiques des batteries sodium-ion, elles sont compatibles avec les équipements de fabrication de batteries lithium-ion, qui sont moins difficiles à industrialiser et offrent de larges perspectives de marché à l'avenir.
En termes de densité énergétique, la cellule d’une batterie sodium-ion se situe généralement entre 105 et 150 Wh/kg. La densité énergétique des cellules de batterie lithium-ion dépasse généralement 190wh/kg, et certains systèmes ternaires à forte teneur en Ni dépassent même 230wh/kg. Bien que la batterie sodium-ion actuelle ne puisse pas encore être comparée à la batterie ternaire au lithium, mais comparée à la batterie lithium fer phosphate 120-200wh/kg et à la batterie plomb-acide 35-45wh/kg, la batterie sodium-ion a une certaine compétitivité . En termes de plage de température de fonctionnement et de sécurité, les batteries sodium-ion présentent des avantages évidents. Sa plage de température de fonctionnement est de -40 % u2103 à 80 % u2103, tandis que la plage de fonctionnement des batteries lithium-ion ternaires est généralement de -20 % u2103 à 60 % u2103. Dans un environnement inférieur à 0 ° C, les performances des batteries au lithium seront affectées. En revanche, les batteries sodium-ion peuvent encore atteindre plus de 80 % de rétention SOC à -20 ° C. De plus, en raison de la grande résistance interne des batteries sodium-ion, elles ne sont pas faciles à chauffer, elles présentent donc une plus grande sécurité. en termes d'emballement thermique. En termes de vitesse de charge, les batteries sodium-ion peuvent être complètement chargées en seulement 10 minutes, contre au moins 40 minutes pour les batteries au lithium ternaire et 45 minutes pour les batteries au lithium fer phosphate. Dans l'ensemble, bien que la densité énergétique ne puisse pas rivaliser avec les batteries lithium-ion, les batteries sodium-ion peuvent bien résoudre les deux principaux problèmes des véhicules actuels à énergie nouvelle en termes de stabilité à basse température et de vitesse de charge, et restent l'un des choix envisagés par grands constructeurs automobiles.
Une brève analyse de la voie technique de l'oxyde en couches pour les batteries sodium-ion
Matériau de la cathode : oxyde de métal de transition en couches
Les oxydes de métaux de transition en couches d'ions sodium sont généralement exprimés par NaxMO2, où M est un élément de métal de transition tel que Mn, Ni, Cu, Fe, Co, etc. L'étude montre que l'arrangement de NaxMO2 peut être divisé en type O et Type P, et son schéma de structure est le suivant. La structure en couches de cet oxyde de métal de transition fournit non seulement des canaux pour l'incorporation et la désincorporation des ions sodium, mais améliore également la stabilité de la structure globale en utilisant la structure octaédrique MO6. Par conséquent, le matériau présente d’excellentes performances électrochimiques et constitue actuellement le principal matériau d’électrode positive pour les batteries sodium-ion. Dans le même temps, le matériau présente une forte corrélation avec la technologie des électrolytes.
Le matériau cathodique en oxyde de cuivre CuFeo2 convient aux batteries sodium-ion à température ambiante. A base de cuivre, le matériau présente une capacité réversible de 220 mAh/g, et son mécanisme de réaction électrochimique implique principalement la réaction REDOX de Cu2 /Cu . La tension de fonctionnement du CuFeo2 peut atteindre 2,4 V et présente une bonne stabilité de cycle. Ce matériau présente les caractéristiques d'un faible coût, d'excellentes performances et de respect de l'environnement, et a montré certaines perspectives.
Matériau de l'électrode négative - matériau à base de carbone
Il existe de nombreux types de matériaux d'anode pour les batteries sodium-ion, notamment des matériaux à base de carbone, des matériaux à base de titane, des matériaux en alliage et des matériaux organiques. Parmi eux, les matériaux à base de carbone sont considérés comme les matériaux candidats les plus prometteurs en raison de leur disponibilité et de leur faible coût. Les matériaux à base de carbone sont principalement divisés en deux catégories : le carbone cristallin et le carbone amorphe, le carbone cristallin principalement le graphite naturel et le graphite artificiel, qui sont les principaux matériaux d'électrode négative pour les batteries lithium-ion. Cependant, lorsque le graphite est utilisé comme électrode négative de la batterie sodium-ion, l'incorporation des ions sodium ne peut pas être réalisée, ce qui entraîne une capacité spécifique trop faible pour répondre aux besoins des applications pratiques. Les matériaux carbonés amorphes comprennent principalement du carbone dur et du carbone mou. Le carbone dur présente une capacité de décharge initiale élevée, de bonnes performances de débit et une stabilité structurelle, et présente de bons avantages en termes de performances électrochimiques et constitue actuellement le premier choix de matériaux d'électrode négative. Bien que le carbone mou ait un faible coût, une activité électrochimique élevée et puisse fournir une capacité réversible élevée, sa capacité spécifique est faible et le problème d'expansion du volume doit être résolu. En raison des avantages complets que représentent l’abondance des ressources, leur faible coût, leur diversité structurelle et leurs excellentes performances électrochimiques, les matériaux à base de carbone amorphe sont généralement considérés comme l’un des matériaux d’anode les plus prometteurs pour les batteries sodium-ion de l’industrie.
Le carbone dur peut être préparé par une variété de systèmes précurseurs, et la différence de précurseur affectera la morphologie microscopique et le degré de défaut du carbone dur final, puis affectera ses performances électrochimiques.
Électrolyte
Outre les matériaux d'électrodes positives et négatives, l'électrolyte est également un milieu réactionnel indispensable. L'électrolyte de la batterie sodium-ion se compose principalement de trois parties : le sel de sodium, le solvant et l'additif. Le sel de sodium joue un rôle clé dans l'électrolyte, ce qui affecte directement les performances de charge-décharge et la durée de vie de la batterie. Afin de maintenir le fonctionnement stable de la batterie, le sel de sodium doit avoir une bonne stabilité électrochimique et ne peut pas avoir de réactions secondaires avec le matériau de l'électrode. Idéalement, les sels de sodium devraient pouvoir se dissoudre complètement dans le système de solvants sélectionné et générer des ions sodium électrochimiquement actifs, afin qu'ils puissent migrer librement dans l'électrolyte et atteindre rapidement la surface de l'électrode pour des réactions réversibles. De plus, le sel de sodium de haute qualité devrait également minimiser les réactions secondaires avec d'autres composants de la batterie afin d'améliorer la sécurité de la batterie.
Perspectives de développement futur
Bien qu'en termes de coût, les batteries sodium-ion présentent des avantages par rapport aux batteries lithium-ion, elles présentent des déficiences évidentes en termes de densité énergétique et elles sont actuellement principalement transportées sur de petits mini-véhicules avec de faibles exigences en matière de durée de vie des batteries et une sensibilité élevée aux coûts. Avec le développement explosif des véhicules à énergie nouvelle ces dernières années, les ressources lithium-ion sont de plus en plus rares, et on peut prédire que la technologie des batteries sodium-ion ouvrira la voie à une période de développement dorée. Avec les percées continues dans les matériaux, les performances électrochimiques, la sécurité et d'autres aspects, l'industrialisation des batteries sodium-ion s'accélère également, en plus des petits et micro-véhicules électriques actuels, l'avenir devrait également être réalisé en hybride rechargeable. véhicules, le prix du véhicule sera encore abaissé.
