Progrès industriel de l'anode et de la cathode de la batterie à ions sodium
Les entreprises de la chaîne industrielle des batteries sodium-ion possédant des technologies brevetées connexes sont principalement CATL, Zhongke Haina, Nai Innovation Energy, Penghui Energy, Sunwoda, China Great Wall, San Yang shares (002580), GEM, etc.
| État de développement des entreprises chinoises du secteur des batteries sodium-ion | ||
|---|---|---|
| Entreprise / Organisation | Produits pour batteries sodium-ion | Indicateurs de base |
| CATL | Pile au sodium - Pochette, matériau de l'électrode positive - blanc de Prusse ; matériau de l'électrode négative - carbone dur ; électrolyte. | 6Whkg, charge à température ambiante pendant 15 minutes, la puissance peut atteindre plus de 80%, et le taux de rétention de la décharge à -20C est de 90%+. |
| Institut de physique, Académie chinoise des sciences | Zhongke sea sodium Batterie au sodium - poche, cylindrique et à coque en aluminium ; matériau de l'électrode positive - oxyde à base de Cu ; matériau de l'électrode négative - matériau de carbone à base de charbon. | 135Wh/kg3c/3c100%DOD cycle sur 2000 cycles, taux de rétention de la capacité de 91% après 1000 cycles. |
| Sodium Nouvelles énergies innovantes | Pochette pour batterie au sodium ; matériau de l'électrode positive - oxyde à base de Ni ; matériau de l'électrode négative - carbone dur | 120KWh/kg1000 taux de rétention du cycle 92% |
| Ciel étoilé Sodium | Pile au sodium - pochette ; matériau de l'électrode positive - bleu de Prusse ; matériau de l'électrode négative - carbone dur | / |
| Shandong Tonggu | Pile au sodium ; matériau positif - sulfate de vanadium/manganate de lithium ; matériau négatif - sulfure ferreux | 30℃.55℃ gamme de travail La période de cycle théorique est plus de 5000 fois. |
| Grande puissance Énergie | Batterie au sodium ; matériau de l'électrode positive - phosphate de sodium et de vanadium ; matériau de l'électrode négative - carbone dur | / |
D'après les progrès actuels de la recherche, la commercialisation des batteries sodium-ion a une influence plus ou moins grande sur les divers composants des matériaux des batteries, en particulier les changements dans les matériaux de la cathode et les collecteurs de courant sont les plus importants, et les changements dans les systèmes de matériaux de la cathode auront un impact sur les métaux non ferreux et le carbonate de sodium, ainsi que sur d'autres industries.
L'utilisation de feuilles d'aluminium pour les électrodes positives et négatives devrait favoriser une augmentation rapide de la demande de feuilles d'aluminium, tandis que les changements dans les matériaux des électrodes positives devraient accroître la demande de carbonate de sodium ; suivis par les matériaux des électrodes négatives, les matériaux tels que les séparateurs et les électrolytes ont moins d'impact. Plus précisément, les changements dans les matériaux d'électrodes positives devraient accroître la demande de carbonate de sodium :
Matériau de la cathode : Il existe actuellement des sels de lithium ou des phosphates de fer-lithium du système ternaire qui sont remplacés par des oxydes de métaux de transition stratifiés, des composés polyanioniques ou des composés de bleu de Prusse.
Matériau de l'anode : Contrairement au matériau d'électrode négative à base de graphite des batteries lithium-ion, le matériau d'électrode négative des batteries sodium-ion est généralement constitué de matériaux à base de carbone amorphe, tels que le carbone dur, le carbone mou et le carbone composite.
Électrolyte : Le sel électrolytique de batterie sodium-ion est généralement le NaPF6. La méthode de synthèse de l'électrolyte est fondamentalement la même que celle du LiPF6, mais la concentration en sel de l'électrolyte sera plus faible ; le solvant est généralement binaire ou multicomposant, composé de solvants tels que EC, DMC, EMC, DEC et PC. système de solvants mixtes.
En raison des matières premières, le coût de l'électrolyte des batteries sodium-ion sera inférieur à celui des batteries lithium-ion après l'approvisionnement à grande échelle.
Diaphragme : Actuellement, les membranes couramment utilisées sont principalement des membranes en PP, PE, PP/PE et PP/PE/PP, des membranes en céramique, des membranes collées, etc. Actuellement, la taille des pores des séparateurs produits à grande échelle est beaucoup plus grande que le rayon du solubilisateur d'ions sodium, ce qui répond aux besoins des batteries sodium-ion.
Collecteur actuel : L'électrode négative de la batterie lithium-ion ne peut utiliser qu'une feuille de cuivre, tandis que l'électrode négative de la batterie sodium-ion peut utiliser une feuille d'aluminium comme collecteur de courant.
Matériau à base de carbone : Les languettes en aluminium peuvent être utilisées pour les électrodes positives et négatives des batteries sodium-ion. Par rapport aux batteries lithium-ion, le coût des languettes en cuivre nickelé ou des languettes en nickel est réduit ; le processus de soudage des languettes en aluminium est plus simple, ce qui peut également réduire certains coûts de fabrication.
| Comparaison de la structure matérielle des batteries sodium-ion et des batteries lithium-ion | ||
|---|---|---|
| Matériau | Batterie à ions sodium | Batterie au lithium-ion |
| Matériau de l'électrode positive | Système ternaire fer-manganèse-cuivre-nickel et système acide phosphorique, etc. | Phosphate de fer et de lithium, nickel, cobalt, manganèse, etc. Matériau de l'anode Carbone dur Graphite |
| Soluté électrolytique | Hexafluorophosphate de sodium | Hexafluorophosphate de sodium |
| Diaphragme | Inchangé | Inchangé |
| Collecteur de courant | Feuille de cuivre | Feuille de cuivre |
| Equipement | Inchangé | Inchangé |
| Type de matériau | Représentant type | Avantage | Inconvénient |
|---|---|---|---|
| Matériau en carbone | Diverses formes de carbone dur, de carbone mou, de carbone composite et d'autres formes de carbone amorphe | La capacité de stockage du sodium est bonne, la capacité spécifique réversible est élevée et la performance du cycle est bonne. La tendance à la commercialisation est évidente, et sa capacité réversible et son effet de cycle sont proches des exigences de l'application. Carbone dur : meilleurs canaux de diffusion pour le sodium strontium ; carbone mou : bonne performance de cycle, faible coût et processus de fabrication simple. | un coût plus élevé. Des structures micro-sodiques, creuses et poreuses peuvent être conçues pour exploiter davantage la capacité de stockage de sodium des matériaux en carbone. |
| Matériaux réactifs en alliage | Sn, Sb, P, Ge, SnSb, etc. | Capacité spécifique théorique élevée et bonne conductivité, ce qui permet d'éviter les dendrites pendant la charge et de prolonger la durée de vie de la batterie. | Le matériau est toxique et les réserves ne sont pas élevées. Lorsqu'il réagit avec le sodium, il s'accompagne d'une forte expansion du volume, ce qui entraîne la pulvérisation et l'agglomération de la matière active, provoquant la chute du collecteur de courant, ce qui affecte les performances électrochimiques. Solutions : Nanoïsation, revêtement de carbone, alliage. |
| Oxydes/sulfures métalliques | Fe203, Cuo, Co304, SnS2, etc. | Prix bas, capacité théorique élevée, longue durée de vie. | La conductivité électrique elle-même est médiocre, et il y a une forte expansion du volume pendant le processus de charge et de décharge, ce qui entraîne une capacité irréversible, des performances de taux et une stabilité de cycle médiocres. Solutions : Composites de carbone, micro-nano-structures poreuses. |
Les matériaux carbonés sont principalement divisés en carbone mou et en carbone dur. Parmi eux, le carbone mou, également connu sous le nom de matériau carboné facilement graphitisable, désigne le carbone amorphe qui peut être graphitisé à des températures élevées, supérieures à 2 500 °C. Les carbones mous les plus courants sont le coke de pétrole, le coke d'aiguille, les fibres de carbone et les microsphères de carbone.
Le carbone dur, également connu sous le nom de matériau de carbone réfractaire, est également difficile à graphitiser à des températures supérieures à 2500 °C. Le carbone pyrolytique, le noir de carbone et le carbone de la biomasse, etc.
En tant que matériau d'anode pour ions sodium, le carbone dur est supérieur au carbone mou en termes de capacité spécifique, d'efficacité de charge-décharge initiale et de stabilité du potentiel, et sa capacité spécifique peut atteindre plus de 350mAh/g. Par conséquent, le carbone dur convient mieux comme matériau d'électrode négative pour les batteries sodium-ion, tandis que le carbone mou est principalement utilisé comme matière première pour le graphite artificiel.
Ou comme dopage, matériau de revêtement pour modifier le graphite naturel, l'alliage et d'autres matériaux d'électrodes négatives. À l'heure actuelle, les fabricants de batteries sodium-ion utilisent principalement le carbone dur comme matériau d'anode.
| Entreprise | Nation | Système de batterie | Paramètres de performance | Avantage de l'itinéraire | Désavantage de l'itinéraire |
|---|---|---|---|---|---|
| Faradion | ROYAUME-UNI | Système oxyde en couche/carbone dur/électrolyte organique | Densité énergétique 140Wh/kg, durée de vie du cycle de décharge profonde 80% 1000 fois | Compatible avec les processus de production de batteries lithium-ion existants | L'avantage en termes de coût n'est pas évident, et le système biologique présente des risques potentiels en matière de sécurité. |
| aiades | France | Fluorophosphate de sodium et de vanadium / charbon dur / système d'électrolyte organique | Densité énergétique 90Wh/kg, durée de vie de 1C 4000 fois | Longue durée de vie et compatibilité avec les processus de production de batteries Li-ion existants | Les matériaux des électrodes contiennent des éléments de vanadium et de fluor, qui présentent une toxicité et un système élevés, ainsi que des risques potentiels pour la sécurité Faible densité énergétique, coût élevé et risque potentiel pour la sécurité |
| Énergie Natron | Amérique | Système d'électrolyte de l'eau au bleu de Prusse | Densité énergétique 50Wh/L, durée de vie de 10000 fois sous un courant de 2C | Système d'électrolyte aqueux offrant une grande sécurité et d'excellentes performances à haut débit | Faible densité énergétique et processus de production complexe |
| Moyen Kohaina | Chine | Système d'oxyde stratifié/carbone amorphe/électrolyte organique, batterie à poche | Densité énergétique 145Wh/kg, durée de vie de 2000 fois | Compatible avec les processus de production de batteries lithium-ion existants | L'avantage en termes de coût n'est pas évident, et le système biologique présente des risques potentiels pour la sécurité. |
| CATL | Chine | Composés de bleu de Prusse /Carbone dur | Densité énergétique 160wh/kg ; charge pendant 15 minutes à température ambiante, la puissance peut atteindre plus de 80% ; taux de rétention de la décharge de plus de 90% dans un environnement à basse température de -20 ℃. | Compatible avec le processus existant de production de batteries lithium-ion, une chaîne industrielle de base sera formée en 2023. | |
| Sodium Énergie innovante | Chine | Système d'oxyde stratifié/carbone dur/électrolyte organique, batterie à poche | Densité énergétique 120Wh/kg, durée de vie 1000 fois | Compatible avec les processus de production de batteries lithium-ion existants | L'avantage en termes de coût n'est pas évident et le système biologique présente des risques potentiels en matière de sécurité |
Pas d'anode ou la prochaine génération de batteries sodium-ion
Nous avons cherché des réponses possibles à l'avenir dans le cadre de la recherche et du développement de technologies tournées vers l'avenir et, après avoir parcouru le contenu des brevets publiés par les principales entreprises du secteur, nous avons découvert qu'un brevet intitulé "Na metal battery, electrochemical device", approuvé par la CATL en 2021, était entré dans notre champ de vision.
En particulier, la "batterie métallique sans électrode négative" qui y est mentionnée est en effet la première fois que je la rencontre. C'est ainsi que la technologie des batteries métalliques sans anode a attiré notre attention.
Les deux mots-clés "pas d'électrode négative" et "métal" ont des métaphores subversives, et les matériaux ciblés sont rarement concernés par le marché auparavant. Littéralement, il ne s'agit pas seulement de la batterie sodium-ion sur laquelle nous nous sommes concentrés auparavant, mais il pourrait s'agir d'une innovation majeure dans les matériaux et les processus. Une batterie sans pôle négatif est-elle encore une batterie ? Il y avait déjà la technologie de l'"oreille sans électrodes" de Tesla, mais il y a maintenant une "absence d'électrodes négatives" qui apparaît soudainement à l'ère de Ningde. Cette année, il n'y a vraiment aucun moyen d'investir dans les nouvelles énergies sans une base chimique.
En fait, l'absence d'électrode négative est un terme industriel. En termes simples, une batterie métallique sans électrode négative signifie qu'aucun matériau actif négatif n'est ajouté au cours du processus de fabrication et que seul le collecteur de courant négatif est utilisé comme électrode négative nominale.
Cependant, ce collecteur de courant à électrode négative n'a pas la fonction d'électrode négative. Ce n'est qu'après la première charge que le métal contenu dans le matériau de l'électrode positive migre vers la surface du collecteur de courant à électrode négative, et la couche de métal formée sur le collecteur de courant à électrode négative est la véritable électrode négative.
Ou bien nous pouvons comprendre l'absence d'électrodes négatives comme l'absence d'électrodes négatives dans le processus de fabrication, et les électrodes négatives apparaissent après que la batterie a été assemblée et chargée pour la première fois. Peut-être que cela est encore trop abstrait, développons le schéma de la batterie pour plus d'explications.
Dans le processus de production de la batterie, le matériau de l'électrode positive et le collecteur de courant de l'électrode positive (feuille d'aluminium) sont pressés ensemble, l'électrode négative est pressée par le graphite et le collecteur de courant de l'électrode négative (feuille de cuivre), et enfin les électrodes positives et négatives sont laminées ou enroulées. "combinées". Pendant tout le processus de production, l'électrode négative en graphite est entièrement en ligne.
Parlons du principe de fonctionnement de la batterie. Le processus de charge est le suivant : les ions (tels que les ions lithium, les ions sodium) dans le matériau de l'électrode positive traversent le diaphragme pour atteindre le graphite de l'électrode négative, et les électrons partent du collecteur de courant de l'électrode positive et courent le long du circuit externe jusqu'au collecteur de courant de l'électrode négative.
Le processus de décharge est inversé, et les ions et les électrons effectuent un cycle de va-et-vient de cette manière, achevant la charge et la décharge de la batterie encore et encore.
Qu'adviendra-t-il de la situation après le passage à une batterie métallique non négative ? En fait, le côté positif n'a pas beaucoup changé, c'est-à-dire que l'électrode négative n'a plus de graphite et qu'il ne reste que le collecteur de courant de l'électrode négative (feuille de cuivre).
Dans le processus de production de la batterie, comme il n'y a pas de matériau d'électrode négative à accompagner, la feuille de cuivre isolée est "auto-scellée" en tant qu'électrode négative jusqu'à ce que la batterie soit assemblée.
C'est alors que le premier voyage de découverte des ions a commencé. Il est parti de l'électrode positive, l'a déposé sous forme de métal dans le collecteur de courant de l'électrode négative et a formé une couche métallique sur le collecteur de courant de l'électrode négative. C'est à ce moment-là que la feuille de cuivre mal nommée a cédé la place au nom d'électrode négative. couche métallique.
Au cours du processus de décharge suivant, les ions "s'échappent" du collecteur de courant de l'électrode négative et retournent à leur "lieu de naissance", de sorte que la batterie achève son premier cycle de charge-décharge et que l'électrode négative apparaisse.
Cette forme de nouvelle technologie est appelée technologie des batteries métalliques sans anode. Le plus grand avantage de cette technologie noire est qu'elle permet d'augmenter considérablement la densité énergétique, ce qui permet non seulement de résoudre le problème de la faible densité énergétique des batteries sodium-ion, mais aussi de voir l'aube de la prochaine génération de batteries sodium-ion.
