Batería de sodio vs litio vs plomo-ácido - por qué la batería de sodio es tan popular
Introducción a las pilas de sodio
Tanto las baterías de sodio como las de litio son baterías secundarias de mecedora, es decir, baterías secundarias que dependen de los iones para intercalarse y desintercalarse entre el cátodo y el ánodo. Tanto los materiales del cátodo como los del ánodo permiten la inserción y extracción reversible de iones de sodio.
Durante el proceso de carga, los iones de sodio se desintercalan del cátodo y se introducen en el ánodo a través del electrolito. Al mismo tiempo, la carga de compensación de los electrones se suministra al ánodo a través del circuito externo, de modo que el cátodo y el ánodo experimentan reacciones redox para garantizar el equilibrio de carga del cátodo y el ánodo; lo contrario ocurre durante la descarga.
El precio de los recursos de litio es alto y las ventajas de las pilas de sodio han llamado mucho la atención
Afectado por las condiciones de extracción y la tecnología de extracción del litio, el suministro de recursos de litio es limitado. El litio es el metal con la densidad más baja de la naturaleza, tiene una actividad electroquímica extremadamente fuerte y la función de almacenar energía. En términos de cantidad total de recursos, no es escaso, pero debido al impacto de las condiciones mineras y la tecnología de extracción del litio, muchos recursos estimados no pueden convertirse en reservas.
La escasez de recursos y el aumento de los campos de aplicación y la demanda de baterías de iones de litio como batería de motobatería de litio de almacenamiento de energía y otros baterías para herramientas eléctricas han provocado una fuerte subida de los precios del litio. El rápido aumento del índice de penetración de los vehículos eléctricos ha provocado una fuerte demanda de baterías de litio de potencia, y el almacenamiento de energía se ha convertido gradualmente en una importante aplicación de las baterías de litio.
Impulsado por la demanda descendente, el precio del carbonato de litio sigue subiendo, y el coste de los materiales de las baterías de litio también se ha duplicado. La distribución de los recursos de litio en el mundo es desigual. China no es rica en recursos de litio, y los suyos propios representan menos de 7%.
Como uno de los principales países productores de baterías de litio, la falta de recursos de China a largo plazo puede suponer una amenaza potencial para la cadena de suministro, y el desarrollo de alternativas es de gran importancia para la seguridad industrial. Es difícil igualar la cuota de 7% del almacenamiento de energía de recursos de litio con más de 60% de la cuota de mercado de las baterías de potencia.
Recientemente, países con recursos de litio como Canadá han impuesto restricciones a las empresas de otros países para explotar sus propias minas de litio. En la actual situación de intensificación de los conflictos comerciales mundiales e inestabilidad geopolítica, el desarrollo de alternativas como las baterías de iones de sodio es de gran importancia para garantizar el suministro energético y la seguridad industrial de China.
Comparación de sistemas de materiales entre la pila de sodio y la de litio
Las baterías de sodio son similares a las de litio en cuanto al principio y la estructura de la batería. En cuanto a la selección de materiales, sigue habiendo grandes diferencias entre las baterías de iones de sodio y las de iones de litio, lo que indirectamente provoca diferencias de coste entre ambas.
Comparación de los sistemas de materiales de las pilas de sodio frente a las de litio
| Batería de iones de sodio | Batería de iones de litio | |
|---|---|---|
| Cátodo | Óxidos estratificados, análogos del azul de Prusia, compuestos polianiónicos | Fosfato de hierro y litio, ternario (diferentes proporciones de níquel-cobalto-manganeso-litio) |
| Ánodo | Materiales a base de carbono, materiales a base de titanio, materiales de aleación, etc. | Grafito, carbono silicio |
| Separador | PP/PE | PP/PE |
| Electrolito | Aniones de sal sódica como el hexafluorofosfato sódico | Hexafluorofosfato de litio, LiFSI |
| Colector de corriente | Papel de aluminio | Lámina de aluminio catódica, lámina de cobre anódica |
Cátodo: Los iones de sodio tienen un radio mayor que los de litio, lo que dificulta su intercalación/extracción de los materiales catódicos y anódicos estratificados. Por ello, el material catódico de iones de sodio carece de densidad energética.
Al mismo tiempo, para facilitar la intercalación/extracción de iones de sodio, la selección del material de cátodo correspondiente también es diferente a la de la batería de iones de litio. En la actualidad, los materiales de cátodo para iones de sodio se dividen principalmente en óxidos estratificados, prusia y compuestos polianiónicos.
Ánodo: El material de grafito utilizado habitualmente en las baterías de iones de litio no puede intercalar eficazmente iones de sodio, por lo que es necesario sustituirlo. En la actualidad, la ruta técnica del ánodo de batería de sodio puede dividirse en materiales basados en carbono, materiales basados en titanio y materiales de aleación.
Electrolito: La conductividad molar de los iones de sodio es mayor, la concentración de electrolito necesaria es menor y las necesidades de aditivos también son menores, lo que se traduce en un menor coste del electrolito.
Colector actual: Las baterías de iones de litio requieren una lámina de aluminio como colector de corriente catódica y una lámina de cobre como colector de corriente anódica. Los colectores de corriente catódica y anódica de las baterías de iones de sodio pueden emplear papel de aluminio más barato, lo que supone ventajas económicas.
Las baterías de sodio tienen ventajas evidentes sobre las de plomo-ácido
En comparación con las baterías de litio, las de sodio se acercan a las de litio hierro fosfato en cuanto a densidad energética, y presentan ventajas en cuanto a rendimiento a baja temperatura, seguridad y carga rápida:
Densidad energética: La densidad energética de las pilas de sodio es superior a la de las de plomo-ácido y similar a la de las de litio-hierro-fosfato. En la actualidad, la densidad energética de las baterías comerciales de iones de sodio es de 90~160Wh/kg, muy superior a los 50~70Wh/kg de las baterías de plomo-ácido.
En comparación con las baterías de plomo-ácido, el ciclo de vida tiene ventajas evidentes, y es más respetuoso con el medio ambiente. En el futuro, las baterías de plomo-ácido podrán sustituirse por completo. En comparación con las baterías de iones de litio, la densidad energética de las baterías de sodio se acerca al nivel de 120~180Wh/kg de las baterías de fosfato de hierro y litio.
Rendimiento a baja temperatura: El intervalo de temperatura normal de funcionamiento de las baterías de sodio es de -40°C a 50°C (baterías de litio -20~60°C), y el índice de retención de capacidad es de casi 90% a -20°C. En comparación con las baterías de plomo y ácido y las baterías de litio y fosfato de hierro, el índice de retención de capacidad de 60%~70% presenta ventajas evidentes, y el rendimiento a baja temperatura es excelente.
Seguridad: La resistencia interna de las baterías de iones de sodio es mayor y la temperatura de embalamiento térmico es superior a la de las baterías de iones de litio. En pruebas como las de sobrecarga y sobredescarga, acupuntura y extrusión, las prestaciones de seguridad de las pilas de iones de sodio son excelentes.
Rendimiento de carga rápida: Las baterías de iones de sodio tienen un mejor rendimiento de tasa y son adecuadas para aplicaciones como la carga rápida, el almacenamiento de energía de respuesta en algunos de 5 principales empresas de baterías de almacenamiento de energíay suministro de energía a gran escala.
Conclusión
Combinando las características anteriores, las baterías de iones de sodio se acercan a las de litio hierro fosfato en cuanto a rendimiento. En la actualidad, la principal diferencia entre las baterías de sodio y las de litio-hierro-fosfato radica en el rendimiento cíclico. Como el sodio tiene un radio iónico y una masa molar mayores que el litio, la duración de los ciclos de las baterías de sodio en esta fase suele ser de 2000-3000 veces, y la densidad energética disminuirá considerablemente si se aumenta el número de ciclos.
En términos de rendimiento general, en un contexto de abaratamiento de costes, se espera que las baterías de iones de sodio sustituyan a las de plomo-ácido y complementen a las de iones de litio. Son las primeras en popularizarse y aplicarse en segmentos de mercado como el almacenamiento de energía, los vehículos eléctricos de bajo y medio kilometraje y los vehículos de dos ruedas.
