Натрій-іонний акумулятор

Схема натрій-йонного акумулятора

Натрій-іонний акумулятор (англ. Sodium-ion battery; скорочено NIB, SIB або Na-ion) — тип акумуляторних батарей, що використовують іони натрію (Na+) в якості носіїв заряду. У деяких випадках його принцип роботи та конструкція елементів подібні до літій-іонних акумуляторів (LIB), але він замінює літій на натрій як інтеркалюючий іон. Натрій належить до тієї ж групи періодичної таблиці, що й літій, і тому має подібні хімічні властивості. Хоча в деяких випадках (наприклад, водні Na-іонні акумулятори) вони суттєво відрізняються від літій-іонних акумуляторів.

Вартість застосовуваних в ньому матеріалів значно нижча (натрій приблизно в 100 разів дешевший від літію). Тому в найближчі роки прогнозується широке поширення таких акумуляторів замість літієвих, зокрема, в електромобілях. Великою перевагою натрій-іонних батарей є нешкідливість розряду до нуля, що робить безпечнішими їхні перевезення і зберігання[джерело?].

SIB викликали академічний і комерційний інтерес у 2010-х і на початку 2020-х років, головним чином через нерівномірний географічний розподіл, високий вплив на навколишнє середовище та високу вартість літію. Очевидною перевагою натрію є його природне поширення [1], особливо в солоній воді.

Електромобілі, які використовують натрій-іонні акумулятори, ще не доступні в продажу. Проте компанія CATL, найбільший у світі виробник літій-іонних батарей, у 2022 році оголосила про початок масового виробництва SIB. У лютому 2023 року китайська компанія HiNA Battery Technology Company, Ltd. вперше розмістила натрій-іонний акумулятор ємністю 140 Вт-год/кг в електричному тестовому автомобілі[2], а виробник накопичувачів енергії Pylontech отримав перший сертифікат натрієво-іонного акумулятора від TÜV Rheinland.[3]

Історія

Розробка цього типу акумулятора тривала незвично довго — з 1990-х років, а серійне виробництво розпочалось лише 2013 року (компанія Aquion Energy випустила першу Na-Ion батарею в форматі батареї 18650)[4]. Продовження досліджень швейцарськими вченими дозволило в 2017 році одержати значно більшу стабільність ємності по числу циклів заряд-розряд[5].

Складності в заміні літію більш дешевим натрієм виникли через різницю розмірів катіонів натрію Na+ і літію Li+: більший діаметр катіонів натрію ускладнював створення сепараторів.

В листопаді 2017 французька компанія Electrochemical Energy Storage (RS2E) анонсувала нову покращену батарею формату 18650, що мала напругу 3,5 В, ємність 90 Вт*год/кг, та понад 2000 циклів заряду-розряду без суттєвої втрати ємності, що відповідає приблизно 10 рокам експлуатації[6][7].

Принцип дії

Елементи акумулятора складаються з катода (матеріали на основі натрію), анода (різні матеріали, в тому числі на основі вуглецю, або металів), та рідкого електроліта. Під час заряджання іони натрію рухаються від катода до анода, а електрони рухаються по зовнішньому контуру. Під час розряджання відбувається зворотний процес.

Аноди

  • вуглецеві матеріали, в тому числі графен
  • арсенід вуглецю
  • метали та напівметали - (P, Pb, Sn, Ge) утворюють з натрієм стійкі сплави. Але через дендритну кристалізацію анода більшість дуже швидко деградує. Добре себе показують сполуки з оловом, та фосфатами.
  • металеві сплави
  • деякі інші матеріали, такі як ртуть, електроактивні полімери, терефталат натрію, які не викликали комерційного інтересу.

Катоди

Електроліт

Натрієво-іонні акумулятори можуть використовувати водні та неводні електроліти.

Характеристики

Натрій-іонний акумулятор видає напругу 3,6 В, має ємність не менше 115 А*год/кг після 50 циклів, розрахункову повну ємність (за катодом) 400 Вт*год/кг[8]. Ресурс акумуляторів обмежував можливість комерційного використання, але після 2015 року вдалося значно збільшити число циклів роботи, використовуючи багатошаровий оксидний катод[9].

Примітки

  1. ↑ Abraham, K. M. (13 листопада 2020). How Comparable Are Sodium-Ion Batteries to Lithium-Ion Counterparts?. ACS Energy Letters (англ.). Т. 5, № 11. с. 3544—3547. doi:10.1021/acsenergylett.0c02181. ISSN 2380-8195. Процитовано 1 квітня 2024.
  2. ↑ Kang, Lei (23 лютого 2023). Hina Battery becomes 1st battery maker to put sodium-ion batteries in EVs in China. CnEVPost (амер.). Процитовано 1 квітня 2024.
  3. ↑ redactoramexico (8 березня 2023). Pylontech Obtains the World's First Sodium Ion Battery Certificate from TÜV Rheinland. Batteries News (амер.). Процитовано 1 квітня 2024.
  4. ↑ Wu, Fu-Bao; Yang, Bo; Ye, Ji-Lei, ред. (1 січня 2019). Chapter 2 - Technologies of energy storage systems. Grid-scale Energy Storage Systems and Applications. Academic Press. с. 17—56. doi:10.1016/b978-0-12-815292-8.00002-2. ISBN 978-0-12-815292-8.
  5. ↑ L. Duchêne, R.-S. Kühnel, E. Stilp, E. Cuervo Reyes, A. Remhof. A stable 3 V all-solid-state sodium–ion battery based on a closo-borate electrolyte : [англ.] // Energy & Environmental Science. — 2017. — Vol. 10, no. 12. — С. 2609–2615. — ISSN 1754-5706 1754-5692, 1754-5706. — DOI:10.1039/C7EE02420G.
  6. ↑ Lamoureux, Manon (29 листопада 2017). Tiamat se lance dans la production de batteries sodium-ion. Flottes Automobiles (fr-FR) . Процитовано 11 жовтня 2018.
  7. ↑ A Battery Revolution in Motion (англ.). CNRS News. Процитовано 11 жовтня 2018.
  8. ↑ Ellis, B. L.; Makahnouk, W. R. M.; Makimura, Y.; Toghill, K.; Nazar, L. F. A multifunctional 3.5V iron-based phosphate cathode for rechargeable batteries. — Nature Materials, 2007.
  9. ↑ Barker, J.; Heap, R.J.; Roche, N.; Tan, C.; Sayers, R.; Lui, Y. Low Cost Na-ion Battery Technology. — 2014.