Sự trỗi dậy của pin natri-ion trong kỷ nguyên mới của pin điện
Mở ra kỷ nguyên của ô tô điện chạy bằng pin natri
Đầu năm 2024, xe điện chạy pin natri-ion đầu tiên trên thế giới chính thức được giao đến tay người dùng. Chiếc xe mới có tầm hoạt động lên tới 252 km và được trang bị 32.140 pin hình trụ ion natri. Tế bào thông qua con đường kỹ thuật của"cơ sở đồng như oxit carbon cứng", công suất monome là 12Ah, mật độ năng lượng lớn hơn 140Wh/kg, và nó có ưu điểm là độ an toàn cao, mật độ năng lượng cao và hiệu suất nhiệt độ thấp tốt. Trong những năm gần đây, bao gồm cả Ningde Times, Natri Energy và các doanh nghiệp trong nước khác cũng đã đẩy nhanh việc bố trí ngành công nghiệp pin ion natri, hiện đã đạt được đánh giá hiệu suất và sản xuất hàng loạt nhỏ, dự kiến sẽ mở ra năm đầu tiên phát triển xe điện chạy bằng pin natri ở 24 năm.
Pin natri so với pin lithium-ion
Pin natri-ion được kỳ vọng sẽ trở thành một công nghệ pin thứ cấp khác cho các ứng dụng thương mại quy mô lớn vì những ưu điểm độc đáo của chúng. So với pin lithium-ion, các ion natri có khả năng tương tác hòa tan mạnh hơn và bán kính phóng điện nhỏ hơn, cho phép các dung dịch điện phân ion natri nồng độ thấp đạt được độ dẫn ion cao hơn. Vì natri và lithium thuộc cùng một nhóm chính gồm các nguyên tố liền kề nên cả hai có tính chất hóa học giống nhau cao nên nguyên lý hoạt động của pin natri-ion tương tự như nguyên lý hoạt động của pin lithium-ion, tuân theo nguyên tắc"ghế bập bênh"cơ chế. Pin ion natri bao gồm điện cực dương, điện cực âm, màng ngăn, chất điện phân và bộ thu chất lỏng. Quá trình tích điện và phóng điện được thực hiện bằng cách nhúng và loại bỏ ion natri có thể đảo ngược giữa các vật liệu điện cực dương và âm. Trong quá trình sạc, các ion natri được tách ra khỏi điện cực dương và nhúng vào điện cực âm để tạo thành điện cực dương nghèo NA và điện cực âm giàu Na. Trong quá trình phóng điện, các ion natri được nhúng ngược vào điện cực dương từ điện cực âm để đạt được sự cân bằng điện tích và phóng điện. Các electron được chuyển vào mạch ngoài, duy trì sự cân bằng điện tích với sự di chuyển của các ion natri. Do đặc tính của pin natri-ion, chúng tương thích với thiết bị sản xuất pin lithium-ion, ít khó khăn hơn trong quá trình công nghiệp hóa và có triển vọng thị trường rộng lớn trong tương lai.
Về mật độ năng lượng, cell của pin natri-ion thường nằm trong khoảng 105-150wh/kg. Mật độ năng lượng của pin lithium-ion thường vượt quá 190wh/kg và một số hệ thống bậc ba có hàm lượng Ni cao thậm chí còn vượt quá 230wh/kg. Mặc dù pin natri-ion hiện tại chưa thể so sánh với pin lithium bậc ba, nhưng so với pin lithium iron phosphate 120-200wh/kg và pin axit chì 35-45wh/kg, pin natri-ion có khả năng cạnh tranh nhất định . Xét về phạm vi nhiệt độ hoạt động và độ an toàn, pin natri-ion có những ưu điểm rõ ràng. Phạm vi nhiệt độ hoạt động của nó là -40℃-80℃, trong khi phạm vi hoạt động của pin lithium-ion ternary thường là -20℃ ~ 60℃. Trong môi trường dưới 0° C, hiệu suất của pin lithium sẽ bị ảnh hưởng. Ngược lại, pin natri-ion vẫn có thể đạt được khả năng giữ SOC hơn 80% ở -20 ° C. Ngoài ra, do điện trở trong lớn của pin natri-ion nên chúng không dễ bị nóng nên cho độ an toàn cao hơn về mặt thoát nhiệt. Về tốc độ sạc, pin natri-ion có thể được sạc đầy chỉ trong 10 phút, so với ít nhất 40 phút đối với pin lithium bậc ba và 45 phút đối với lithium iron phosphate. Nhìn chung, mặc dù mật độ năng lượng không thể cạnh tranh với pin lithium-ion nhưng pin natri-ion có thể giải quyết tốt hai điểm yếu lớn của các phương tiện sử dụng năng lượng mới hiện nay là độ ổn định ở nhiệt độ thấp và tốc độ sạc, đồng thời vẫn là một trong những lựa chọn được nhiều người cân nhắc. các hãng xe lớn.
Phân tích ngắn gọn về lộ trình kỹ thuật của lớp oxit cho pin ion natri
Vật liệu catốt - oxit kim loại chuyển tiếp phân lớp
Các oxit kim loại chuyển tiếp phân lớp natri-ion thường được biểu thị dưới dạng NaxMO2, trong đó M là nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Mn, Ni, Cu, Fe, Co, v.v. Nghiên cứu cho thấy sự sắp xếp của NaxMO2 có thể được chia thành loại O và Loại P và sơ đồ cấu trúc của nó như sau. Cấu trúc phân lớp của oxit kim loại chuyển tiếp này không chỉ cung cấp các kênh để nhúng và loại bỏ ion natri mà còn tăng cường tính ổn định của cấu trúc tổng thể bằng cách sử dụng cấu trúc bát diện MO6. Do đó, vật liệu này có hiệu suất điện hóa tuyệt vời và hiện là vật liệu điện cực dương chủ đạo cho pin ion natri. Đồng thời, vật liệu có mối tương quan cao với công nghệ điện phân.
Vật liệu catốt oxit cupric CuFeo2 thích hợp cho pin natri-ion ở nhiệt độ phòng. Dựa trên đồng, vật liệu này có khả năng đảo ngược 220 mAh/g và cơ chế phản ứng điện hóa của nó chủ yếu liên quan đến phản ứng REDOX của Cu2 /Cu . Điện áp làm việc của CuFeo2 có thể đạt tới 2,4V và có độ ổn định chu kỳ tốt. Vật liệu này có đặc điểm là chi phí thấp, hiệu suất tuyệt vời và thân thiện với môi trường, đồng thời cho thấy một triển vọng nhất định.
Vật liệu điện cực âm - vật liệu gốc cacbon
Có nhiều loại vật liệu làm cực dương cho pin ion natri, bao gồm vật liệu gốc cacbon, vật liệu gốc titan, vật liệu hợp kim và vật liệu hữu cơ. Trong số đó, vật liệu gốc carbon được coi là vật liệu ứng cử viên hứa hẹn nhất do tính sẵn có và chi phí thấp. Vật liệu dựa trên carbon chủ yếu được chia thành hai loại: carbon tinh thể và carbon vô định hình, carbon tinh thể chủ yếu là than chì tự nhiên và than chì nhân tạo, là vật liệu điện cực âm chính cho pin lithium-ion. Tuy nhiên, khi than chì được sử dụng làm điện cực âm của pin ion natri, việc nhúng các ion natri không thể đạt được, dẫn đến công suất riêng quá thấp để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng thực tế. Vật liệu cacbon vô định hình chủ yếu bao gồm cacbon cứng và cacbon mềm. Carbon cứng cho thấy khả năng phóng điện ban đầu cao, hiệu suất tốc độ tốt và độ ổn định cấu trúc, đồng thời có ưu điểm về hiệu suất điện hóa tốt và hiện là lựa chọn hàng đầu của vật liệu điện cực âm. Mặc dù carbon mềm có chi phí thấp, hoạt tính điện hóa cao và có thể cung cấp khả năng đảo ngược cao, nhưng công suất riêng của nó thấp và cần phải giải quyết vấn đề giãn nở thể tích. Do lợi thế toàn diện về nguồn tài nguyên dồi dào, chi phí thấp, cấu trúc đa dạng và hiệu suất điện hóa tuyệt vời, vật liệu carbon vô định hình thường được coi là một trong những vật liệu cực dương hứa hẹn nhất cho pin ion natri trong ngành.
Carbon cứng có thể được điều chế bằng nhiều hệ thống tiền chất khác nhau và sự khác biệt của tiền chất sẽ ảnh hưởng đến hình thái vi mô và mức độ khuyết tật của carbon cứng cuối cùng, sau đó ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa của nó.
chất điện giải
Ngoài vật liệu điện cực dương và âm, chất điện phân cũng là môi trường phản ứng không thể thiếu. Chất điện phân pin ion natri chủ yếu bao gồm ba phần: muối natri, dung môi và phụ gia. Muối natri đóng vai trò quan trọng trong chất điện phân, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất sạc-xả và tuổi thọ của pin. Để duy trì hoạt động ổn định của pin, muối natri phải có độ ổn định điện hóa tốt và không thể có phản ứng phụ với vật liệu điện cực. Lý tưởng nhất là muối natri có thể hòa tan hoàn toàn trong hệ dung môi đã chọn và tạo ra các ion natri hoạt động điện hóa, để chúng có thể di chuyển tự do trong chất điện phân và nhanh chóng tiếp cận bề mặt điện cực để thực hiện các phản ứng thuận nghịch. Ngoài ra, muối natri chất lượng cao cũng nên hạn chế tối đa phản ứng phụ với các thành phần khác của pin nhằm nâng cao độ an toàn cho pin.
Triển vọng phát triển trong tương lai
Mặc dù về mặt giá thành, pin natri-ion có lợi thế hơn so với pin lithium-ion nhưng vẫn có những thiếu sót rõ ràng về mật độ năng lượng và hiện nay chúng chủ yếu được trang bị trên các phương tiện giao thông cỡ nhỏ có yêu cầu về tuổi thọ pin thấp và độ nhạy chi phí cao. Với sự phát triển bùng nổ của các phương tiện sử dụng năng lượng mới trong những năm gần đây, nguồn tài nguyên lithium-ion ngày càng khan hiếm và có thể dự đoán rằng công nghệ pin natri-ion sẽ mở ra một thời kỳ phát triển vàng. Với sự đột phá liên tục về vật liệu, hiệu suất điện hóa, độ an toàn và các khía cạnh khác, quá trình công nghiệp hóa pin natri-ion cũng đang tăng tốc, bên cạnh các loại xe điện cỡ nhỏ và siêu nhỏ hiện tại, tương lai dự kiến cũng sẽ có plug-in hybrid xe, giá xe sẽ tiếp tục được kéo xuống.
