¿Es mejor una pila de iones de sodio que una de litio?

Batería de iones de sodio y la batería de iones de litio son dos tecnología de baterías rutas y recientemente hay fabricantes de baterías frecuentes en el desarrollo de la batería de iones de sodio, por lo que es la batería de iones de sodio mejor que batería de iones de litio?

1.Antecedentes de la pila de iones de sodio

Los electrones de sodio de las baterías de iones de sodio almacenan energía del mismo modo que las baterías de iones de litio. Todas utilizan la migración de iones entre el cátodo y el ánodo para lograr el almacenamiento y la liberación de energía eléctrica. El propio ion sodio también tiene carga positiva, pero su radio es un tercio mayor que el del ion litio, por lo que se mueve más lentamente y tiene una densidad energética menor que las baterías de ion litio.

Pero el recurso de sodio es abundante. En China hay muy pocos materiales energéticos de litio y son principalmente importados, lo que costará cada vez más en el futuro. Los recursos de sodio son 1.000 veces más caros que los de litio, por lo que cuestan menos.

Sin embargo, la tecnología de la batería de sodio de autocuidado no está madura, y el trabajo principal sigue estando en el laboratorio. Según las ventajas de los recursos, es el más probable para sustituir al litio. La densidad energética es baja, por lo que no es adecuada para la sustitución de aplicaciones con requisitos de alta densidad energética, como teléfonos móviles, portátiles, ordenadores, etc. 

Pero para escenarios de aplicación con mayor volumen y menor densidad energética, como el almacenamiento de energía, el coche eléctrico, la batería de sodio-ión tiene una mayor demanda en el mercado. En el futuro, la batería de iones de sodio no se utilizará inicialmente en turismos, porque requieren alta densidad de energía, pero se puede aplicar en el autobús eléctrico, almacenamiento de energía distribuida, aspectos de almacenamiento de energía de la red eléctrica, por lo que también tiene una gran perspectiva de aplicación.

2.La ruta técnica de la pila de iones de sodio

Desde el punto de vista de la investigación y el desarrollo, los materiales del ánodo y el cátodo de la batería de iones de sodio remiten al sistema de materiales de la batería de iones de litio. Tras las pruebas, el cátodo se fabricó con un material de electrodo en capas similar al litio, el cobalto y el oxígeno, que se espera producir en serie en el futuro.

También hay sistemas de fosfato, pero si desea convertir fosfato de hierro y litio en el fosfato sódico de hierro, el fosfato sódico de hierro tiene un pobre rendimiento de almacenamiento de sodio, por lo que puede ser sustituido u optimizado con otros elementos, como el fosfato sódico de vanadio o el fosfato sódico de manganeso, pero también es un sistema de fosfato.

El otro es el sistema de Prusia, la clase de azul de Prusia del ciclo fotoeléctrico es relativamente estable, pero la desventaja es que la densidad de energía es relativamente baja, la capacidad también es menor que los materiales de fosfato y rueda.

Así que aún no hemos decidido cuál de los tres sistemas de materiales es el mejor. El cátodo más maduro en litio es el grafito. Pero con el grafito como material catódico, el rendimiento es muy pobre, no puede hacer un uso potente. Otro buen ánodo es el carbono duro, que es un material estructural amorfo ligeramente desordenado.

Las propiedades de almacenamiento de sodio de este material de carbono duro son actualmente comparables a las de los tratamientos de grafito en el laboratorio. Por lo tanto, el mejor material de cátodo para las baterías es de carbono duro, pero no hay producción a gran escala de los fabricantes de carbono duro, pero algunos fabricantes han estado en la disposición de la producción en masa de carbono duro, pero el tiempo exacto no es seguro.

El electrolito de la batería de iones de litio es una solución de hexafluorofosfato de litio, y la batería de iones de sodio es hexafluorofosfato de sodio disuelto en carbonato de litio, que funciona muy bien. Si quieres usar alto voltaje, usas perclorato de sodio, que es cambiar un poco la sal disuelta. Pero de todos modos, es muy similar al electrolito de litio, el disolvente sigue siendo el mismo.

El diafragma puede ser exactamente el mismo que el de una batería de iones de litio. El ánodo se puede utilizar como un restrictor con papel de aluminio, porque el papel de aluminio es mucho más barato que el papel de cobre, el uso de papel de aluminio como ánodo puede reducir la recogida de fluido. El proceso de fabricación para recoger el fluido también es muy similar.

Así que las líneas de producción de iones de litio pueden modificarse para fabricar baterías de iones de sodio, de modo que si una fábrica de baterías quiere cambiar, su coste de sustitución no será demasiado elevado. En la actualidad, el mayor problema de la producción en masa es que se trata de una tecnología emergente, que necesita pasar del laboratorio a la industrialización. Su estabilidad técnica y su madurez material no serán muy elevadas.

3.Preguntas frecuentes sobre la pila de iones de sodio

3.1 ¿Es cierto que la batería de iones de sodio puede alcanzar ya los 160 Wh/kg?

CATL afirma que su batería de iones de sodio tiene una densidad energética de 160 Wh /kg. En teoría se puede hacer. Pero no hay ningún parámetro para la vida cíclica. La estabilidad cíclica actual no es buena. En el mercado, se exige que los coches eléctricos se utilicen 2.000 veces, pero la investigación actual sólo puede utilizarse 1.000 veces. Como no hay composición de materiales ni parámetros, seguimos siendo escépticos.

El volumen de la batería de iones de sodio es mayor que el de la batería de iones de litio, el rendimiento cinético es relativamente pobre y el movimiento del ion sodio es lento. Los iones de sodio también se ven afectados por las bajas temperaturas, pero se desconoce si CATL adoptó nuevas tecnologías.

3.2 ¿Cuáles son los principales factores que afectan a la vida útil de una batería de iones de sodio?

¿Cuánto margen hay para mejorar el índice de duración del ciclo en el futuro, y entonces cuándo se espera que pueda cumplir el ciclo como batería de almacenamiento de energía?

Los principales factores que afectan a la vida útil de la batería de iones de sodio son la estabilidad estructural de los materiales del ánodo y el cátodo. Los iones de sodio pueden arrastrarse e insertarse de forma reversible. El material del cátodo es un material económico, y este material puede cambiarse. Algunos materiales son relativamente estables, por lo que pueden mantener una larga vida de ciclo.

La circulación de iones de sodio no es tan buena como otras, principalmente por su gran volumen y mayor daño a la estructura del material, que puede llegar a 1000 veces en términos de larga vida. Pero este problema podría ser resuelto por la tecnología en el futuro. Puede hacer que el material sea más estable. En los proximos 3-5 anos, el total puede ciclar 3000-4000 veces sin problema.

3.3 Si se sustituye el litio por ion sodio, ¿cuánto disminuirá el coste?

El ion sodio aún no se ha producido en serie. Sigue siendo principalmente de laboratorio, y el coste del material es superior al del litio industrializado.

Pero después de la producción en masa, todo el proceso de producción es igual a la batería de litio , todo el costo se puede reducir en alrededor de 50%. Pero los materiales del ánodo y el cátodo no se han determinado, por lo que es imposible hacer una estimación. El ánodo tiene una ligera ventaja sobre el litio.

La gran ventaja está en el cátodo, porque en el cátodo, el rendimiento relativo de manganeso es más estable a los iones metálicos, basado en el sistema de oxígeno de manganeso de sodio, con algunos elementos como el níquel o cobalto hierro, no es demasiado caro. Sin embargo, las baterías de litio están hechas de alto contenido de níquel, que no puede ser menos cobalto y níquel.

El coste es mucho mayor que el del manganeso, pero con el oxígeno de manganeso de litio, el rendimiento será muy pobre si hay más manganeso. Pero el manganeso se puede utilizar como un gran elemento estabilizador en sodio en lugar de níquel y cobalto. Utilizando manganeso como elemento metálico principal combinado con carbonato sódico, tras la producción en masa, el coste de producción será significativamente inferior al de la batería de litio actual.

3.4 ¿Existen en China empresas líderes en tecnología de baterías de iones de sodio?

Entre las principales empresas, CATL cuenta con un equipo para fabricar baterías de iones de sodio. Su equipo de investigación y desarrollo es relativamente grande, por lo que su tecnología es relativamente avanzada. Además, muchas universidades están llevando a cabo actividades de investigación y desarrollo, por ejemplo, la Academia China de Ciencias incubó zhongkehaina, especializada en baterías de iones de sodio.

La Universidad Jiaotong de Shanghai incubó Innovative Energy de sodio, dedicada principalmente a las baterías de almacenamiento de energía, que también es una empresa emergente de baterías de iones de sodio. Estas dos empresas están especializadas en la investigación y el desarrollo de baterías de iones de sodio, y no se dedican a las baterías de litio. La actividad principal de CATL sigue siendo en otros aspectos, sólo hacer un poco de investigación y desarrollo de sodio.

Ninguna de las baterías de sodio actuales está madura, y CATL afirma que se fabricarán en serie en los próximos años, pero es probable que sus productos permanezcan en el laboratorio.

3.5 ¿En qué consiste la nueva batería de iones de sodio desarrollada por Zhongkehaina?

Zhongkehaina ha desarrollado una batería de iones de sodio con una densidad de energía de 145Wh /kg y una vida de ciclo de más de 4500 veces. La vida de ciclo depende de qué condiciones, en general, los tiempos de ciclo de 2000 es bueno, pero si la carga en 80% rango de carga y descarga puede llegar a 3000-4000 veces. La alta vida de ciclo depende de la tensión de corte de la carga, porque cuando la tensión de corte aumenta en 0,1 voltios, su vida de ciclo disminuye considerablemente.

El material del cátodo de Zhongkehaina también se basa en materiales estratificados, basados en el sistema de sodio, manganeso y oxígeno, que está dopado con algunos elementos como cobre, hierro y cobalto, y el ánodo también es de carbono duro. El electrolito también debe ser hexafluorofosfato de sodio.

3.6 ¿Qué medidas específicas sobre la industria de pilas de iones de sodio en China?

En China hay mucho apoyo a nivel nacional, pero no medidas concretas. Los departamentos gubernamentales de China han organizado muchos proyectos de baterías de iones de sodio y han invertido fondos para animar a institutos de investigación y empresas a solicitarlos.

Han invertido en investigación y desarrollo para aplicaciones en las que el almacenamiento de energía es difícil, como las estaciones de almacenamiento de energía eólica y solar, donde se necesita sodio. Otros no están disponibles temporalmente, pero las políticas se introducirán sucesivamente.

3.7 ¿Cuál es la diferencia entre el equipo de fabricación de la batería de iones de sodio y el de la batería de iones de litio?

El equipo para fabricar los materiales es casi el mismo. Sólo hay que cambiar la materia prima. Los materiales ternarios de electricidad de litio u óxido de cobalto de litio se controlan mediante ingeniería eléctrica y método de fase sólida. Las materias primas que se introducen en la línea de producción de materiales catódicos son principalmente carbonato de litio, óxido de níquel, ácido bencénico o sal metálica más carbonato de litio o hidróxido de litio.

En una batería de iones de sodio, se mantienen las mismas sales metálicas, se sustituye el carbonato de litio o el hidróxido de litio por carbonato de sodio e hidróxido de sodio, pero todo el proceso es el mismo. Los fabricantes de cátodos pueden utilizar básicamente los equipos actuales de producción de ánodos de litio, pero hay que ajustar los parámetros y condiciones específicos de producción.

Pero el equipo es básicamente el mismo. La diferencia en el grafito no es mucha. El electrolito es básicamente similar, sustituyendo el hexafluorofosfato de litio disuelto por hexafluorofosfato de sodio, pero no difiere mucho de toda la línea de producción de baterías de litio.

3.8 ¿Cuánto aumentaría la densidad energética si se pudieran utilizar iones de sodio como pilas de estado sólido?

Las baterías de estado sólido con iones de sodio no tienen muchas ventajas. Por un lado, su madurez técnica es todavía relativamente baja, el principal problema es que el electrolito sólido de la batería de sodio no tiene un estado sólido especialmente bueno. Y ahora la batería de estado sólido no está muy madura, que es también la barrera que la batería de estado sólido necesita superar.

O sustituir el electrolito por un electrolito sólido. Pero los electrolitos sólidos no han sido especialmente buenos hasta ahora. Actualmente, los materiales del ánodo y el cátodo se suelen utilizar como materiales estratificados o materiales de disco duro, pero los iones de sodio tienen una gran proporción de volumen, lo que dificulta su migración en el sólido, y su conductividad iónica es relativamente pobre en el electrolito. Así que si se quiere fabricar una batería sólida de iones de sodio, primero hay que encontrar una alta movilidad iónica, para desarrollar un buen rendimiento durante 5-10 años.

3.9 ¿Cuánto podría aumentar la densidad energética de una batería de iones de sodio si encontrara buenos electrolitos?

Si se hace bien, puede alcanzar los 150-180 Wh /kg. El electrolito representa más de 20% del peso de la célula y, si es sólido y se hace bien, puede ser muy fino y optimizar la densidad energética total. Pero los electrolitos sólidos no pueden hacerse muy finos, hay riesgo de cortocircuito, y los electrolitos más espesos pueden reducir la densidad energética. 

La batería de iones de sodio actual no está madura, por lo que el rendimiento de la batería sólida sigue siendo muy inferior al de la batería de iones de sodio líquida. La capacidad del ánodo y el cátodo, en estado líquido, puede utilizar entre el 90 y el 100% de la energía, pero en estado sólido sólo puede utilizar entre el 60 y el 70%. Debido a la migración de iones en el sólido, el electrolito puede penetrar en el ánodo y el cátodo, y todas las partículas de los materiales del ánodo y el cátodo pueden entrar en contacto con el electrolito.

Pero en el sólido, es necesario tener un canal de transmisión de iones, pero en el cátodo y el ánodo, puede dar lugar a partículas no pueden tocar el cátodo y el ánodo del electrolito, la tasa de utilización del cátodo y el ánodo se descontará, y la mejora de la densidad de energía será limitada.

3.10 ¿Hay planes para desarrollar baterías de iones de sodio en el mundo?

Estados Unidos y Europa tienen ahora algunos proyectos de investigación, entre ellos Estados Unidos también ha puesto en marcha varios proyectos de investigación y desarrollo de baterías de iones de sodio, pero el progreso de desarrollo de Estados Unidos sigue estando por detrás de China y Corea del Sur, ahora China y Corea del Sur están por delante de Estados Unidos y Europa.

Varias empresas emergentes de Estados Unidos también quieren comercializar baterías de iones de sodio, pero carecen de la escala y la tecnología necesarias. Las surcoreanas LG, Samsung y SKI también están en proceso de maquetación, y sus avances son similares a los de China.

3.11 Cuando madure la tecnología de iones de sodio, ¿qué porcentaje de la capacidad total de las baterías podrá contabilizarse?

La ventaja técnica de las baterías de iones de sodio es su producción en serie, pero la desventaja es que son menos densas energéticamente que las de iones de litio. Sus aplicaciones se centran principalmente en el almacenamiento de energía y herramientas eléctricas que no requieren una alta densidad energética, como vehículos eléctricos de baja velocidad, autobuses eléctricos, etc.

Por tanto, si la batería de iones de sodio madura, podría suponer más de 50% del mercado de almacenamiento de energía. Pero en baterías de potencia, es improbable que las de iones de sodio tengan una cuota de mercado elevada, de hasta 20%.

3.12 Pila de iones de sodio o pila de combustible, ¿cuál puede desarrollarse con mayor rapidez y madurez?

En cuanto a la madurez de la tecnología, es más optimista sobre la batería de iones de sodio, porque el proceso es muy similar al de la batería de iones de litio, y la batería de iones de litio está muy madura, por lo que el proceso de producción en masa de la batería de iones de sodio se promoverá muy rápidamente, y la cadena industrial pertinente puede establecerse en 2-3 años.

Pero la producción en masa y la aplicación de la pila de combustible están aún relativamente lejos. Las pilas de combustible son la solución definitiva al problema energético. Las reacciones del hidrógeno y el oxígeno son muy limpias, y además tienen una densidad energética muy alta. Pero el cuello de botella es el almacenamiento y la liberación del hidrógeno, así como los metales preciosos utilizados como catalizadores en las pilas de combustible, cuyo coste es difícil de abaratar y encontrar tecnologías alternativas de catalizadores finos.

Así que estos dos cuellos de botella técnicos son difíciles de superar en poco tiempo. Es posible que las pilas de combustible no estén listas hasta dentro de 3/50 años, y que el coste de la producción de hidrógeno baje.

3.13 Si China puede autoproveerse de las materias primas del sodio, ¿no es necesario importar litio?

Para las materias primas de iones de sodio, basta con minerales chinos.

3.14 ¿Coexistirán la pila de iones de sodio, la pila de iones de litio y la pila de combustible?

Las posibilidades son muchas. Porque cada tecnología tiene sus propias características y escenarios de aplicación. Por ejemplo, las baterías de plomo-ácido tampoco van a desaparecer. Las baterías de plomo-ácido actuales crecen en volumen y uso cada año, pero no tan rápido como las de litio.

3.15 ¿Dónde se utiliza actualmente el ácido de plomo a gran escala?

Batería de arranque y parada de la central eléctrica de almacenamiento de energía y el coche de combustible. Como su tecnología está madura, el ciclo de la industria como el reciclaje de baterías también va bien. El plomo es tóxico y contaminante, pero un buen ciclo de reciclaje también puede evitar la contaminación. Esta tecnología de reciclaje es una ventaja que las baterías de iones de litio aún no tienen. Sin embargo, después de que un gran número de baterías de litio de potencia se retiren, el reciclaje de las baterías es también un gran problema.