Die Natrium-Ionen-Batterie (NIB oder SIB) ist ein wiederaufladbarer Batterietyp, der Natriumionen (Na+) als Ladungsträger verwendet. Das Funktionsprinzip und der Zellaufbau sind fast identisch mit denen der Lithium-Ionen-Batterien (LIB), allerdings wird Lithium durch Natrium ersetzt.
Natrium-Ionen-Batterien sind eine potenzielle Alternative zu lithiumbasierten Batterietechnologien, vor allem aufgrund der niedrigeren Kosten und der größeren Verfügbarkeit von Natrium. Da SIBs auf reichlich vorhandene und billige Materialien zurückgreifen, dürften sie preiswerter sein als LIBs. Die Umweltauswirkungen von SIBs sind ebenfalls geringer. Obwohl SIBs schwerer und größer als LIBs sind, eignen sie sich für stationäre Energiespeichersysteme, bei denen das Gewicht und das Volumen weniger wichtig sind.
SIBs stießen in den 2010er und 2020er Jahren auf akademisches und kommerzielles Interesse, vor allem aufgrund der ungleichmäßigen geografischen Verteilung, der hohen Umweltbelastung und der hohen Kosten vieler der für Lithium-Ionen-Batterien benötigten Materialien. Dazu gehören vor allem Lithium, Kobalt, Kupfer und Nickel, die für viele Arten von Natrium-Ionen-Batterien nicht unbedingt erforderlich sind. Der größte Vorteil von Natrium-Ionen-Batterien ist der natürliche Reichtum an Natrium. Zu den Herausforderungen bei der Einführung von SIBs gehören die geringe Energiedichte und die unzureichenden Lade-/Entladezyklen.
Bis 2022 haben Natrium-Ionen-Batterien keine kommerzielle Bedeutung erlangt, aber das könnte sich ändern, da der weltweit größte Batteriehersteller angekündigt hat, 2023 mit der Massenproduktion von SIBs zu beginnen. In einem Bericht der United States Energy Information Administration über Batteriespeichertechnologien wird diese Technologie nicht erwähnt. Außerdem werden in Elektrofahrzeugen keine Natrium-Ionen-Batterien verwendet… noch nicht.
Geschichte
Die Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien fand in den 1970er und frühen 1980er Jahren statt. In den 1990er Jahren waren Lithium-Ionen-Batterien jedoch vielversprechender, so dass das Interesse an Natrium-Ionen-Batterien nachließ. In den frühen 2010er Jahren erlebten Natrium-Ionen-Batterien einen Aufschwung, der vor allem durch die steigenden Rohstoffkosten für Lithium-Ionen-Batterien ausgelöst wurde.
Funktionsprinzip
SIB-Zellen bestehen aus einer Kathode auf der Basis eines natriumhaltigen Materials, einer Anode (nicht notwendigerweise ein Material auf Natriumbasis) und einem flüssigen Elektrolyten, der dissoziierte Natriumsalze in polaren protischen oder aprotischen Lösungsmitteln enthält. Während des Ladevorgangs bewegen sich die Natriumionen von der Kathode zur Anode, während die Elektronen den externen Stromkreis durchlaufen. Bei der Entladung findet der umgekehrte Prozess statt.
Materialien (Anoden, Kathoden und Elektrolyt)
Aufgrund der physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften von Natrium benötigen SIBs andere Materialien als die für LIBs verwendeten.
Anoden
SIBs verwenden Hartkohlenstoff, ein ungeordnetes Kohlenstoffmaterial, das aus einem nicht graphitisierbaren, nicht kristallinen und amorphen Kohlenstoff besteht. Die Fähigkeit von Hartkohle, Natrium zu absorbieren, wurde im Jahr 2000 entdeckt. Diese Anode liefert nachweislich 300 mAh/g mit einem abfallenden Potenzialprofil über ⁓0,15 V gegen Na/Na+. Es ist für etwa die Hälfte der Kapazität und ein flaches Potenzialprofil (ein Potenzialplateau) unterhalb von ⁓0,15 V gegen Na/Na+ verantwortlich. Graphitanoden für LIBs bieten typische Kapazitäten von 300-360 mAh/g. Die erste Natrium-Ionen-Zelle mit Hartkohle wurde 2003 demonstriert und zeigte eine durchschnittliche Spannung von 3,7 V beim Entladen. Hartkohle wird aufgrund ihrer hervorragenden Kombination aus Kapazität, (niedrigeren) Arbeitspotenzialen und Zyklenstabilität bevorzugt.
Kathoden
Natrium-Ionen-Kathoden speichern Natrium durch Interkalation. Aufgrund ihrer hohen Anzapfungsdichte, ihres hohen Betriebspotenzials und ihrer hohen Kapazität haben Kathoden auf der Basis von Natrium-Übergangsmetalloxiden die größte Aufmerksamkeit erhalten. Um die Kosten niedrig zu halten, versucht die Forschung, kostspielige Elemente wie Co, Cr, Ni oder V auf ein Minimum zu reduzieren.2/3Fe1/2Mn1/2O2-Oxid aus erdreichhaltigen Fe- und Mn-Ressourcen kann bei einer durchschnittlichen Entladespannung von 2,75 V 190 mAh/g reversibel speichern gegenüber Na/Na+ unter Nutzung des Fe3+/4+-Redoxpaares – gleichwertig oder besser als kommerzielle Lithium-Ionen-Kathoden wie LiFePO4 oder LiMn2O4. Durch den Natriummangel wurde jedoch die Energiedichte verringert. Erhebliche Anstrengungen wurden unternommen, um Na-Richer-Oxide zu entwickeln. Kupfersubstituierte Na0,67Ni0,3-xCuxMn0,7O2-Kathodenmaterialien zeigten eine hohe reversible Kapazität mit besserer Kapazitätserhaltung. Im Gegensatz zur kupferfreien Na0.67Ni0.3-xCuxMn0.7O2-Elektrode liefern die so hergestellten Cu-substituierten Kathoden eine bessere Natriumspeicherung.
Die Forschung hat sich auch mit Kathoden auf der Basis von Polyanionen beschäftigt. Solche Kathoden bieten eine geringere Anzapfdichte, was die Energiedichte aufgrund des sperrigen Anions verringert. Dies kann durch die stärkere kovalente Bindung des Polyanions ausgeglichen werden, die sich positiv auf die Lebensdauer und Sicherheit auswirkt. Unter den auf Polyanionen basierenden Kathoden haben Natrium-Vanadium-Phosphat und Fluorophosphat eine ausgezeichnete Zyklenstabilität und bei letzterem eine akzeptabel hohe Kapazität (⁓120 mAh/g) bei hohen durchschnittlichen Entladespannungen (⁓3,6 V gegen Na/Na+) gezeigt.
Elektrolyte
Natrium-Ionen-Batterien können flüssige und nicht flüssige Elektrolyte verwenden. Das begrenzte elektrochemische Stabilitätsfenster von Wasser führt zu niedrigeren Spannungen und begrenzten Energiedichten. Nichtflüssige polare aprotische Karbonatester-Lösungsmittel erweitern den Spannungsbereich. Dazu gehören Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat und Propylencarbonat. Der am weitesten verbreitete nichtflüssige Elektrolyt verwendet Natriumhexafluorophosphat als Salz, das in einer Mischung dieser Lösungsmittel gelöst ist. Außerdem können Elektrolytzusätze die Leistungskennzahlen verbessern.
Vergleich
Natrium-Ionen-Batterien haben mehrere Vorteile gegenüber konkurrierenden Batterietechnologien. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien haben Natrium-Ionen-Batterien etwas niedrigere Kosten, eine etwas geringere Energiedichte, bessere Sicherheitseigenschaften und ähnliche Leistungsmerkmale.
In der nachstehenden Tabelle wird verglichen, wie NIBs im Allgemeinen im Vergleich zu den beiden derzeit auf dem Markt etablierten Akkutechnologien abschneiden: der Lithium-Ionen-Batterie und der wiederaufladbaren Blei-Säure-Batterie.
| Sodium-ion Battery | Lithium-ion Battery | Lead–acid Battery | |
|---|---|---|---|
| Cost per Kwh of Capacity | $40–77 | $137 (average in 2020) | $100–300 |
| Volumetric Energy Density | 250–375 W·h/L, based on prototypes | 200–683 W·h/L | 80–90 W·h/L |
| Gravimetric Energy Density (specific energy) | 75–165 W·h/kg, based on prototypes and product announcements | 120–260 W·h/kg | 35–40 Wh/kg |
| Cycles at 80% depth of discharge | Hundreds to thousands | 3,500 | 900 |
| Safety | Low risk for aqueous batteries, high risk for Na in carbon batteries | High risk | Moderate risk |
| Materials | Earth-abundant | Scarce | Toxic |
| Cycling Stability | High (negligible self-discharge) | High (negligible self-discharge) | Moderate (high self-discharge) |
| Direct Current Round-Trip Efficiency | up to 92% | 85–95% | 70–90% |
| Temperature Range | −20 °C to 60 °C | Acceptable:−20 °C to 60 °C. Optimal: 15 °C to 35 °C | −20 °C to 60 °C |
|
Natrium-Ionen-Akku |
Lithium-Ionen-Akku |
Blei-Säure-Batterie |
|
|
Kosten pro Kilowattstunde der Kapazität |
$40-77 |
137 $ (Durchschnitt im Jahr 2020). |
$100-300 |
|
Volumetrische Energiedichte |
250-375 W-h/L, basierend auf Prototypen |
200-683 W-h/L |
80-90 W-h/L |
|
75-165 W-h/kg, basierend auf Prototypen und Produktankündigungen |
120-260 W-h/kg |
35-40 Wh/kg |
|
|
Zyklen bei 80% Entladetiefe |
Hunderte bis Tausende. |
3,500 |
900 |
|
Sicherheit |
Geringes Risiko für wässrige Batterien, hohes Risiko für Na in Kohlenstoffbatterien |
Hohes Risiko |
Mäßiges Risiko |
|
Materialien |
Die Erde ist reich an |
Knapp |
Giftig |
|
Stabilität beim Radfahren |
Hoch (vernachlässigbare Selbstentladung) |
Hoch (vernachlässigbare Selbstentladung) |
Mäßig (hohe Selbstentladung) |
|
Gleichstrom-Rundreise-Wirkungsgrad |
bis zu 92% |
85-95% |
70-90% |
|
Temperaturbereich |
-20 °C bis 60 °C |
Zulässig:-20 °C bis 60 °C. Optimal: 15 °C bis 35 °C |
-20 °C bis 60 °C |
Jongia Mixing Technology ist immer in der Lage, bei der Auswahl der Rührwerkskonfiguration zu helfen.
Wenden Sie sich einfach an Jongia und bitten Sie um Unterstützung.
Wir sind jederzeit für Ihre Mixeranfragen erreichbar.
Kontaktieren Sie uns unter: info@www.jongia.com oder besuchen Sie weitere Artikel über Ionen-Lithium-Batterien auf unserer Batterieseite.
Dieser Artikel wurde unter Verwendung bestimmter Informationen aus den folgenden Websites verfasst:
Natrium-Ionen-Batterie Wikipedia-Seite
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/cs/c6cs00776g
Kontaktieren Sie unser spezialisiertes Team für alle Ihre Fragen
Bart Brouwer
Area Sales Manager
Gebiet weltweit
Sijko van der Veen
Anwendungstechniker
Technischer Spezialist
Technische Fragen?
Jan Siert Tjeerdsma
Projektmanager
Technischer Spezialist
Verwandte Artikel
Wie sieht das Recyclingverfahren für Lithium aus?
Derzeitige kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien enthalten hauptsächlich Übergangsmetalloxide oder -phosphate, Aluminium, Kupfer, Graphit, organische Elektrolyte, die schädliche Lithiumsalze enthalten, und andere Chemikalien. Daher wird dem Recycling und der Wiederverwendung von verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien von vielen Forschern immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Aufgrund der hohen
Mischen von Elektrolyt für Ionen-Lithium-Batterien
Der Elektrolyt als Grundlage für Ionen-Lithium-Batterien spielt eine Schlüsselrolle für den Transport der positiven Lithiumionen zwischen Kathode und Anode und folglich für die Lade- und Entladeleistung der Batterie. Daher muss es auf mögliche Verunreinigungen überprüft werden. Gleichzeitig ist der Elektrolyt
Das Mischen der richtigen Ionen-Lithium-Batterie-Slurry ist eine echte Herausforderung!
Lithiumbasierte Batterietechnologien für Elektrofahrzeuge verwenden Lithium-Ionen als Ladungsträger. Je nach den technischen Anforderungen der Anwendung wird Lithium mit verschiedenen chemischen Materialien wie Graphit für die Anode sowie Nickel-, Mangan- oder Kobaltoxiden für die Kathode verwendet. Alle diese Materialien haben gute
