Progreso industrial del ánodo y el cátodo de la batería de iones de sodio
Y las empresas de la cadena industrial de baterías de iones de sodio con tecnologías patentadas relacionadas incluyen principalmente a CATL, Zhongke Haina, Nai Innovation Energy, Penghui Energy, Sunwoda, China Great Wall, San Yang shares (002580), GEM, etc.
| Estado de desarrollo de las empresas chinas del sector de las pilas de iones de sodio | ||
|---|---|---|
| Empresa / Organización | Productos para pilas de iones de sodio | Indicadores básicos |
| CATL | Pila de sodio - Bolsa, material del electrodo positivo - blanco de Prusia; material del electrodo negativo - carbono duro; electrolito. | 6Whkg, cargando a temperatura ambiente durante 15 minutos, la potencia puede alcanzar más de 80%, y la tasa de retención de descarga a -20C es de 90%+. |
| Instituto de Física, Academia China de Ciencias | Batería de sodio marino Zhongke Batería de sodio en bolsa, cilíndrica y con carcasa de aluminio; material del electrodo positivo: óxido a base de Cu; material del electrodo negativo: material de carbono a base de carbón. | 135Wh/kg3c/3c100%DOD a lo largo de 2000 ciclos, tasa de retención de la capacidad de 91% tras 1000 ciclos. |
| Sodio Nueva energía innovadora | Pila-bolsa de sodio; material del electrodo positivo: óxido a base de Ni; material del electrodo negativo: carbono duro | 120KWh/kg1000 ciclos de retención 92% |
| Cielo estrellado Sodio | Pila de sodio - bolsa; material del electrodo positivo - azul de Prusia; material del electrodo negativo - carbono duro | / |
| Shandong Tonggu | Pila de sodio; material positivo: sulfato de vanadio/manganato de litio; material negativo: sulfuro ferroso. | 30℃.55℃ rango de trabajo El periodo de ciclo teórico es de más de 5000 veces. |
| Gran potencia Energía | Pila de sodio; material del electrodo positivo: fosfato sódico de vanadio; material del electrodo negativo: carbono duro. | / |
De acuerdo con los avances de la investigación actual, la comercialización de las baterías de iones de sodio tiene diversos grados de influencia en varios componentes de los materiales de la batería, especialmente los cambios en los materiales del cátodo y los colectores de corriente son los más significativos, y los cambios en los sistemas de materiales del cátodo afectará a los metales no ferrosos y carbonato de sodio y otras industrias tienen un impacto.
Se espera que el uso de papel de aluminio para electrodos positivos y negativos promueva un rápido aumento de la demanda de papel de aluminio, mientras que los cambios en los materiales para electrodos positivos aumentarán la demanda de carbonato sódico; seguidos de los materiales para electrodos negativos, materiales como separadores y electrolitos tienen menos impacto. En concreto:
Material del cátodo: Actualmente existen sales de litio de sistema ternario o fosfatos de hierro y litio cambiados por óxidos de metales de transición estratificados, compuestos polianiónicos o compuestos de azul de Prusia.
Material del ánodo: A diferencia del material de electrodo negativo basado en grafito de la batería de iones de litio, el material de electrodo negativo de la batería de iones de sodio es generalmente materiales de carbono amorfo, como el carbono duro, el carbono blando y el carbono compuesto.
Electrolito: La sal electrolítica de batería de iones de sodio es generalmente NaPF6. El método de síntesis del electrolito es básicamente el mismo que el del LiPF6, pero la concentración de sal del electrolito será menor; el disolvente es generalmente binario o multicomponente compuesto de disolventes como EC, DMC, EMC, DEC y PC. sistema de disolvente mixto.
Debido a las materias primas, el coste del electrolito de la batería de iones de sodio será inferior al de la batería de iones de litio tras el suministro a gran escala.
Diafragma: En la actualidad, los diafragmas comúnmente utilizados son principalmente diafragmas de PP, PE, PP/PE y PP/PE/PP, diafragmas cerámicos, diafragmas pegados, etc. En la actualidad, el tamaño de los poros de los separadores producidos a gran escala es mucho mayor que el radio del solubilizador de iones de sodio, lo que satisface las necesidades de las baterías de iones de sodio.
Colector actual: El electrodo negativo de la batería de iones de litio sólo puede utilizar lámina de cobre, mientras que el electrodo negativo de la batería de iones de sodio puede utilizar lámina de aluminio como colector de corriente.
Material a base de carbono: Las lengüetas de aluminio pueden utilizarse para los electrodos positivo y negativo de las baterías de iones de sodio. En comparación con las baterías de iones de litio, el coste de las lengüetas de cobre niquelado o las lengüetas de níquel es reducido; y el proceso de soldadura de las lengüetas de aluminio es más sencillo, lo que también puede reducir algunos costes de fabricación.
| Comparación de la estructura material de la batería de iones de sodio y la batería de iones de litio | ||
|---|---|---|
| Material | Batería de iones de sodio | Batería de iones de litio |
| Material del electrodo positivo | Sistema ternario de hierro, manganeso, cobre y níquel y sistema de ácido fosfórico, etc. | Litio hierro fosfato, níquel cobalto manganeso, etc. Material del ánodo Carbono duro Grafito |
| Soluto electrolítico | Hexafluorofosfato de sodio | Hexafluorofosfato de sodio |
| Diafragma | Sin cambios | Sin cambios |
| Colector de corriente | Lámina de cobre | Lámina de cobre |
| Equipamiento | Sin cambios | Sin cambios |
| Tipo de material | Representante típico | Ventaja | Desventaja |
|---|---|---|---|
| Material de carbono | Diversos tipos de carbono duro, carbono blando, carbono compuesto y otros tipos de carbono amorfo | La capacidad de almacenamiento de sodio es buena, la capacidad específica reversible es alta y el rendimiento del ciclo es bueno. La tendencia de comercialización es obvia, y su capacidad reversible y efecto de ciclo se aproximan a los requisitos de aplicación. Carbón duro: mejores canales de difusión para el estroncio sódico; carbón blando: buen rendimiento del ciclo, bajo coste y proceso de fabricación sencillo. | mayor coste. Pueden diseñarse estructuras microsódicas, huecas y porosas para aprovechar aún más la capacidad de almacenamiento de sodio de los materiales de carbono. |
| Materiales reactivos de aleación | Sn, Sb, P, Ge, SnSb, etc. | Alta capacidad específica teórica y buena conductividad, que pueden evitar las dendritas durante la carga y prolongar la vida útil de la batería. | El material es tóxico y las reservas no son elevadas. Cuando reaccione con el sodio, se producirá una gran expansión de volumen, lo que dará lugar a la pulverización y aglomeración del material activo, provocando la caída del colector de corriente, lo que afectará al rendimiento electroquímico. Soluciones: Nanoización, recubrimiento de carbono, aleación. |
| Óxidos/sulfuros metálicos | Fe203, Cuo, Co304, SnS2, etc. | Bajo precio, alta capacidad teórica, larga vida útil. | La conductividad eléctrica en sí es deficiente, y se produce una gran expansión de volumen durante el proceso de carga y descarga, lo que da lugar a una capacidad irreversible, con lo que el rendimiento de la tasa y la estabilidad del ciclo son deficientes. Soluciones: Compuestos de carbono, micro-nano estructuras porosas. |
Los materiales carbonosos se dividen principalmente en carbono blando y carbono duro. Entre ellos, el carbono blando, también conocido como material de carbono fácilmente grafitizable, se refiere al carbono amorfo que puede grafitizarse a altas temperaturas superiores a 2500 °C. Los carbonos blandos más comunes son el coque de petróleo, el coque de aguja, la fibra de carbono y las microesferas de carbono.
El carbono duro, también conocido como material de carbono refractario, también es difícil de grafitizar en condiciones de alta temperatura por encima de 2500 °C. Carbón pirolítico, negro de humo y carbono de biomasa, etc.
Como material de ánodo de iones de sodio, el carbono duro es superior al carbono blando en términos de capacidad específica, eficiencia de carga-descarga inicial y estabilidad de potencial, y su capacidad específica puede alcanzar más de 350mAh/g. Por lo tanto, el carbono duro es más adecuado como material de electrodo negativo para las baterías de iones de sodio, mientras que el carbono blando se utiliza principalmente como materia prima para el grafito artificial.
O como dopante, material de revestimiento para modificar el grafito natural, la aleación y otros materiales de electrodos negativos. En la actualidad, los principales fabricantes de baterías de iones de sodio utilizan principalmente carbono duro como material de ánodo.
| Empresa | Nación | Sistema de baterías | Parámetros de rendimiento | Ventajas de la ruta | Desventaja de la ruta |
|---|---|---|---|---|---|
| Faradion | REINO UNIDO | Sistema óxido estratificado/carbón duro/electrolito orgánico | Densidad energética 140Wh/kg, 80% ciclo de vida de descarga profunda 1000 veces | Compatible con los procesos de producción de baterías de iones de litio existentes | La ventaja económica no es obvia, y el sistema orgánico presenta riesgos potenciales de seguridad. |
| aiades | Francia | Sistema de fluorofosfato de vanadio y sodio/carbón duro/electrolito orgánico | Densidad energética 90Wh/kg, vida útil 1C 4000 veces | Larga vida útil y compatibilidad con los procesos de producción de baterías de iones de litio existentes | Los materiales de los electrodos incluyen elementos de vanadio y flúor, que tienen una toxicidad y un sistema elevados, y presentan riesgos potenciales para la seguridad Baja densidad energética, coste elevado y riesgo potencial para la seguridad |
| Energía de Natrón | América | Sistema electrolítico de agua azul de Prusia | Densidad energética 50 Wh/L, ciclo de vida 10000 veces bajo corriente de 2C | Sistema de electrolito acuoso de alta seguridad y excelente rendimiento a alta velocidad | Baja densidad energética y proceso de producción complejo |
| Kohaina Medio | China | Sistema de óxido estratificado/carbono amorfo/electrolito orgánico, batería de petaca | Densidad energética 145 Wh/kg, ciclo de vida 2000 veces | Compatible con los procesos de producción de baterías de iones de litio existentes | La ventaja económica no es obvia, y el sistema orgánico presenta un riesgo potencial para la seguridad. |
| CATL | China | Compuestos de azul de Prusia /carbón duro | Densidad energética 160wh/kg; carga durante 15 minutos a temperatura ambiente, la potencia puede alcanzar más de 80%; tasa de retención de descarga de más de 90% en un entorno de baja temperatura de -20 ℃. | Compatible con el actual proceso de producción de baterías de iones de litio, en 2023 se formará una cadena industrial básica | |
| Sodio Energía innovadora | China | Sistema de óxido estratificado/carbón duro/electrolito orgánico, batería de petaca | Densidad energética 120 Wh/kg, ciclo de vida 1000 veces | Compatible con los procesos de producción de baterías de iones de litio existentes | La ventaja económica no es obvia, y el sistema orgánico presenta riesgos potenciales para la seguridad. |
Sin ánodo o la nueva generación de baterías de iones de sodio
Buscamos posibles respuestas en el futuro a partir de la investigación y el desarrollo de tecnologías con visión de futuro y, tras hurgar en el contenido de las patentes publicadas por las principales empresas del sector, descubrimos que una patente denominada "Batería de Na metal, dispositivo electroquímico" aprobada por CATL en 2021 entraba en nuestra vista.
En concreto, la "pila metálica sin electrodo negativo" que se menciona en él es, de hecho, la primera vez que la encuentro. Es así como la tecnología de las pilas metálicas sin ánodo ha llamado nuestra atención.
Las dos palabras clave "sin electrodo negativo" y "metal" tienen metáforas subversivas, y los materiales a los que se refieren rara vez han sido objeto de interés en el mercado. Literalmente, no se trata sólo de la batería de iones de sodio en la que nos hemos centrado antes, sino que puede ser una gran innovación en materiales y procesos.Al ver "sin polo negativo", mucha gente debe de estar atónita. ¿Se sigue llamando batería a una batería sin polo negativo? Antes existía la tecnología de "oído sin electrodos" de Tesla, pero ahora aparece de repente la de "sin electrodos negativos" en la era Ningde. Este año, realmente no hay manera de invertir en nuevas energías sin una base química.
De hecho, sin electrodo negativo es un término industrial. En términos sencillos, una batería metálica sin electrodo negativo significa que no se añade material activo negativo durante el proceso de fabricación y que sólo se utiliza el colector de corriente negativo como electrodo negativo nominal.
Sin embargo, este colector de corriente de electrodo negativo no tiene la función de electrodo negativo. Sólo después de la primera carga se ha completado, el metal en el material del electrodo positivo migra a la superficie del colector de corriente de electrodo negativo, y la capa de metal formada en el colector de corriente de electrodo negativo es el electrodo negativo real.
O podemos entender la ausencia de electrodos negativos como la ausencia de electrodos negativos en el proceso de fabricación, y los electrodos negativos aparecen después de que la batería se ensambla y se carga por primera vez. Tal vez esto siga siendo demasiado abstracto, ampliemos el esquema de la batería para explicarlo mejor.
En el proceso de producción de baterías, el material del electrodo positivo y el colector de corriente del electrodo positivo (papel de aluminio) se prensan juntos, el electrodo negativo se prensa junto con el grafito y el colector de corriente del electrodo negativo (papel de cobre), y finalmente los electrodos positivo y negativo se laminan o enrollan. "Combinado". Durante todo el proceso de producción, el electrodo negativo de grafito está totalmente en línea.
Hablemos del principio de funcionamiento de la batería. El proceso de carga consiste en que los iones (como iones de litio, iones de sodio) del material del electrodo positivo atraviesan el diafragma para llegar al grafito del electrodo negativo, y los electrones parten del colector de corriente del electrodo positivo y recorren el circuito externo hasta llegar al colector de corriente del electrodo negativo.
El proceso de descarga se invierte, y los iones y electrones realizan un ciclo de ida y vuelta de este modo, completando la carga y descarga de la pila una y otra vez.
¿Qué pasará con la situación después de cambiar a una pila metálica no negativa? De hecho, el lado positivo no ha cambiado mucho, es decir, el electrodo negativo ya no tiene grafito, y sólo queda el colector de corriente del electrodo negativo (lámina de cobre).
En el proceso de producción de la batería, como no hay material de electrodo negativo que acompañe, la lámina de cobre aislada se "autosella" como electrodo negativo hasta que se monta la batería.
Entonces comenzó el primer viaje de descubrimiento de los iones. Partió del electrodo positivo, lo depositó en forma de metal en el colector de corriente del electrodo negativo y formó una capa metálica en el colector de corriente del electrodo negativo. En ese momento, la mal llamada lámina de cobre dio paso al nombre de electrodo negativo. capa metálica.
Durante el proceso de descarga posterior, los iones "escapan" del colector de corriente del electrodo negativo y vuelven a su "lugar de nacimiento", de modo que la pila completa su primer ciclo de carga-descarga y aparece el electrodo negativo.
Esta nueva tecnología recibe el nombre de tecnología de baterías metálicas sin ánodo. La mayor ventaja de esta tecnología negra es que puede aumentar en gran medida la densidad de energía, y esto no sólo puede resolver el punto de dolor de la baja densidad de energía de las baterías de iones de sodio, parece que vemos el amanecer de la próxima generación de baterías de iones de sodio.
