De natrium-ion batterij (NIB of SIB) is een type oplaadbare batterij die natriumionen (Na+) gebruikt als ladingdragers. Het werkingsprincipe en de celconstructie zijn bijna identiek aan die van lithium-ion batterijtypes (LIB), maar vervangen het lithium materiaal door natrium natrium.
Natrium-ion batterijen zijn een potentieel alternatief voor batterijtechnologieën op basis van lithium, vooral vanwege de lagere kosten en grotere beschikbaarheid van natrium. Aangezien voor SIB’s overvloedige en goedkope materialen worden gebruikt, zullen zij naar verwachting minder duur zijn dan LIB’s. De milieueffecten van SIB’s zijn ook geringer. Hoewel SIB’s zwaarder en groter zijn dan LIB’s, zijn zij haalbaar voor stationaire energieopslagsystemen waarbij gewicht en volume minder cruciaal zijn.
SIB’s kregen in de jaren 2010 en 2020 academische en commerciële belangstelling, vooral vanwege de ongelijke geografische spreiding, de grote milieueffecten en de hoge kosten van veel van de voor lithium-ionbatterijen benodigde materialen. De belangrijkste materialen daarvan zijn lithium, kobalt, koper en nikkel, die voor veel soorten natrium-ionbatterijen niet strikt noodzakelijk zijn. Het grootste voordeel van natrium-ion-batterijen is de natuurlijke overvloed aan natrium. Uitdagingen voor de toepassing van SIB’s zijn onder meer de lage energiedichtheid en onvoldoende laad- en ontlaadcycli.
In 2022 waren natrium-ion batterijen nog niet commercieel belangrijk geworden, maar dit zou kunnen veranderen aangezien ’s werelds grootste batterijfabrikant heeft aangekondigd in 2023 met de massaproductie van SIB’s te beginnen. De technologie wordt niet genoemd in een rapport van de United States Energy Information Administration over technologieën voor batterijopslag. Bovendien gebruiken geen elektrische voertuigen natrium-ion batterijen… tot dusver.
Geschiedenis
De ontwikkeling van natrium-ion batterijen vond plaats in de jaren 1970 en begin jaren 1980. Tegen de jaren 1990 hadden lithium-ion batterijen echter een grotere commerciële belofte, waardoor de belangstelling voor natrium-ion batterijen afnam. In het begin van de jaren 2010 kenden natrium-ion batterijen een heropleving, grotendeels gedreven door de stijgende kosten van lithium-ion batterij grondstoffen.
Werkingsprincipe
SIB-cellen bestaan uit een kathode op basis van een natriumhoudend materiaal, een anode (niet noodzakelijk een op natrium gebaseerd materiaal) en een vloeibare elektrolyt met gedissocieerde natriumzouten in polaire protische of aprotische oplosmiddelen. Tijdens het opladen verplaatsen natriumionen zich van de kathode naar de anode, terwijl elektronen zich door het externe circuit verplaatsen. Tijdens het ontladen vindt het omgekeerde proces plaats.
Materialen (Anoden, Kathoden & Elektrolyt)
Vanwege de fysische en elektrochemische eigenschappen van natrium zijn voor SIBs andere materialen nodig dan voor LIBs.
Anodes
SIB’s maken gebruik van hard koolstof, een ongeordend koolstofmateriaal dat bestaat uit een niet-kristallijn en amorf koolstof. Het vermogen van hard koolstof om natrium te absorberen werd ontdekt in 2000. Deze anode bleek 300 mAh/g te leveren met een hellend potentiaalprofiel boven ⁓0,15 V vs Na/Na+. Zij is goed voor ongeveer de helft van de capaciteit en een vlak potentieel profiel (een potentieel plateau) onder ⁓0,15 V vs Na/Na+. Grafietanoden voor LIB’s bieden typische capaciteiten van 300-360 mAh/g. De eerste natrium-ioncel met hard koolstof werd in 2003 gedemonstreerd en vertoonde een gemiddelde spanning van 3,7 V tijdens de ontlading. Hard koolstof geniet de voorkeur vanwege de uitstekende combinatie van capaciteit, (lagere) werkpotentialen en cyclusstabiliteit.
Cathoden
Natrium-ion-cathoden slaan natrium op via intercalatie. Vanwege hun hoge tapdichtheid, hoge werkingspotentiëlen en hoge capaciteiten hebben kathoden op basis van natrium overgangsmetaaloxiden de meeste aandacht gekregen. Om de kosten laag te houden, wordt bij het onderzoek geprobeerd kostbare elementen zoals Co, Cr, Ni of V tot een minimum te beperken. Een P2-type Na 2/3 Fe 1/2 Mn 1/2 O2-oxide uit aarde-overvloedige Fe- en Mn-bronnen kan 190 mAh/g opslaan bij een gemiddelde ontlaadspanning van 2,75 V vs Na/Na+ met gebruikmaking van het redoxkoppel Fe 3+/4+ – gelijk aan of beter dan commerciële lithium-ion-kathoden zoals LiFePO4 of LiMn 2 O 4. Het natriumtekort verminderde echter de energiedichtheid. Er werden aanzienlijke inspanningen geleverd om Na-rijkere oxiden te ontwikkelen. Met koper gesubstitueerde Na 0,67 Ni 0,3-x Cu x Mn 0,7 O2-kathodematerialen vertoonden een hoge omkeerbare capaciteit met een beter capaciteitsbehoud. In tegenstelling tot de kopervrije Na 0,67 Ni 0,3-x Cu x Mn 0,7 O2-elektrode leveren de geprepareerde Cu-gesubstitueerde kathoden een betere natriumopslag.
Er is ook onderzoek gedaan naar cathoden op basis van polyanionen. Dergelijke cathoden bieden een lagere tapdichtheid, waardoor de energiedichtheid lager is vanwege het volumineuze anion. Dit kan worden gecompenseerd door de sterkere covalente binding van het poly-anion, dat een positief effect heeft op de levensduur en de veiligheid. Van de cathoden op basis van poly-anionen hebben natriumvanadiumfosfaat en fluorfosfaat een uitstekende cyclusstabiliteit laten zien en in het laatste geval een aanvaardbaar hoge capaciteit (⁓120 mAh/g) bij hoge gemiddelde ontlaadspanningen (⁓3,6 V vs Na/Na+).
Elektrolyten
Natrium-ion batterijen kunnen vloeibare en niet-vloeibare elektrolyten gebruiken. De beperkte elektrochemische stabiliteit van water leidt tot lagere spanningen en een beperkte energiedichtheid. Niet-vloeibare carbonaatesters polaire aprotische oplosmiddelen vergroten het spanningsbereik. Hiertoe behoren ethyleencarbonaat, dimethylcarbonaat, diethylcarbonaat en propyleencarbonaat. De meest gebruikte niet-vloeibare elektrolyt gebruikt natriumhexafluorofosfaat als zout dat wordt opgelost in een mengsel van deze oplosmiddelen. Bovendien kunnen elektrolytadditieven de prestaties verbeteren.
Vergelijking
Natrium-ion-batterijen hebben verschillende voordelen ten opzichte van concurrerende batterijtechnologieën. Vergeleken met lithium-ion batterijen zijn natrium-ion batterijen iets goedkoper, hebben ze een iets lagere energiedichtheid, betere veiligheidskenmerken en een vergelijkbare vermogensafgifte.
In de onderstaande tabel wordt vergeleken hoe NIB’s in het algemeen presteren ten opzichte van de twee gevestigde oplaadbare batterijtechnologieën die momenteel op de markt zijn: de lithium-ion batterij en de oplaadbare loodzuur batterij.
|
Natrium-ion batterij |
Lithium-ion batterij |
Lood-zuur batterij |
|
|
Kosten per kilowattuur capaciteit |
$40-77 |
137 dollar (gemiddeld in 2020). |
$100-300 |
|
Volumetrische energiedichtheid |
250-375 W-h/L, gebaseerd op prototypes |
200-683 W-h/L |
80-90 W-h/L |
|
75-165 W-h/kg, gebaseerd op prototypes en productaankondigingen |
120-260 W-h/kg |
35-40 Wh/kg |
|
|
Cycli bij 80% ontladingsdiepte |
Honderden tot duizenden. |
3,500 |
900 |
|
Veiligheid |
Laag risico voor waterige batterijen, hoog risico voor Na in koolstofbatterijen |
Hoog risico |
Matig risico |
|
Materialen |
Aarde-overvloedig |
Schaars |
Giftig |
|
Cycling Stabiliteit |
Hoog (verwaarloosbare zelfontlading) |
Hoog (verwaarloosbare zelfontlading) |
Matig (hoge zelfontlading) |
|
Gelijkstroom Round-Trip Efficiëntie |
tot 92% |
85-95% |
70-90% |
|
Temperatuurbereik |
-20 °C tot 60 °C |
Aanvaardbaar: -20 °C tot 60 °C. Optimaal: 15 °C tot 35 °C |
-20 °C tot 60 °C |
Jongia Mixing Technology kan u altijd helpen bij het selecteren van de roerwerkconfiguratie.
Neem gerust contact op met Jongia en vraag om hulp.
Wij zijn altijd beschikbaar voor uw mixer aanvragen!
Neem contact met ons op: info@www.jongia.com of bezoek meer Ion-Lithium batterij gerelateerde artikelen op onze batterijen pagina.
Dit artikel is geschreven door gebruik te maken van bepaalde informatie afkomstig van de volgende websites:
Natrium-ion batterij Wikipedia pagina
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/cs/c6cs00776g
Contacteer ons gespecialiseerde team voor al uw vragen
Bart Brouwer
Area Sales Manager
Area Worldwide
Sijko van der Veen
Application Engineer
Technical Specialist
Technische Vragen?
Jan Siert Tjeerdsma
Project Manager
Technical Specialist
Gerelateerde Artikelen
Wat is het recyclingproces voor lithium
De huidige commerciële lithium-ionbatterijen bevatten voornamelijk overgangsmetaaloxiden of -fosfaten, aluminium, koper, grafiet, organische elektrolyten die schadelijke lithiumzouten bevatten, en andere chemicaliën. Veel onderzoekers besteden daarom steeds meer aandacht aan de recycling en het hergebruik van gebruikte lithium-ionbatterijen. Vanwege de hoge
Elektrolyt mengen voor Ion-Lithium batterijen
Elektrolyt als basis voor ion-lithiumbatterijen speelt een sleutelrol bij het transport van de positieve lithiumionen tussen de kathode en de anode, en bijgevolg bij het laden en ontladen van de batterij. Daarom moet het worden gecontroleerd op mogelijke onzuiverheden. Tegelijkertijd
Het mengen van de juiste Ion-Lithium Batterij Slurry is een uitdaging
Lithiumbatterijtechnologieën voor elektrische voertuigen maken gebruik van lithium-ionen als ladingsdrager. Afhankelijk van de technische eisen van de toepassing, wordt lithium gebruikt met verschillende chemische materialen zoals grafiet voor de anode en nikkel-, mangaan- of kobaltoxiden voor de kathode. Al deze
