La batterie sodium-ion est-elle meilleure que la batterie lithium ?

Batterie sodium-ion et la batterie lithium-ion sont deux choses différentes technologie des batteries et récemment, de nombreux fabricants de batteries se sont lancés dans le développement de batteries sodium-ion. batterie lithium-ion?

1. historique de la batterie sodium-ion

Les électrons de sodium dans les batteries sodium-ion stockent l'énergie de la même manière que les batteries lithium-ion. Toutes ces batteries utilisent la migration des ions entre la cathode et l'anode pour stocker et libérer l'énergie électrique. L'ion sodium possède également une charge positive, mais son rayon est un tiers plus grand que celui de l'ion lithium, de sorte qu'il se déplace plus lentement et que sa densité énergétique est inférieure à celle des batteries lithium-ion.

Mais les ressources en sodium sont abondantes. Il y a très peu de matériaux énergétiques à base de lithium en Chine et ils sont principalement importés, ce qui coûtera de plus en plus cher à l'avenir. Les ressources en sodium sont 1 000 fois plus chères que les ressources en lithium, et donc moins coûteuses.

Cependant, la technologie de la batterie au sodium n'est pas encore au point, et les principaux travaux sont encore menés en laboratoire. Selon les avantages de la ressource, il s'agit de la ressource la plus susceptible de remplacer le lithium. La densité énergétique est faible et ne convient donc pas aux applications de remplacement nécessitant une densité énergétique élevée, telles que les téléphones mobiles, les ordinateurs portables, les ordinateurs, etc. 

Mais pour les scénarios d'application avec un volume plus important et une densité énergétique plus faible, tels que le stockage d'énergie, les voitures électriques, les batteries sodium-ion ont une plus grande demande sur le marché. À l'avenir, les batteries sodium-ion ne seront pas initialement utilisées dans les voitures particulières, parce qu'elles nécessitent une densité énergétique élevée, mais elles peuvent être utilisées dans les bus électriques, le stockage d'énergie distribué, les aspects de stockage d'énergie du réseau électrique, et elles ont donc également de grandes perspectives d'application.

2. l'itinéraire technique de la batterie sodium-ion

Du point de vue de la recherche et du développement, les matériaux de l'anode et de la cathode de la batterie sodium-ion se réfèrent au système de matériaux de la batterie lithium-ion. Après les essais, la cathode a été fabriquée à partir d'un matériau d'électrode en couches similaire au lithium, au cobalt et à l'oxygène, qui devraient être produits en masse à l'avenir.

Il existe également des systèmes à base de phosphate, mais si vous voulez changer de système, vous devez le faire. phosphate de fer lithié dans le phosphate de fer sodique, le phosphate de fer sodique a une mauvaise performance de stockage du sodium, il peut donc être remplacé ou optimisé par d'autres éléments, tels que le phosphate de vanadium sodique ou le phosphate de manganèse sodique, mais il s'agit également d'un système de phosphate.

L'autre système est le système de Prusse, la classe de bleu de Prusse du cycle photoélectrique est relativement stable, mais l'inconvénient est que la densité énergétique est relativement faible, la capacité est également plus faible que le phosphate et les matériaux de roue.

Nous n'avons donc pas encore décidé lequel des trois systèmes de matériaux est le meilleur. La cathode la plus aboutie dans le domaine du lithium est le graphite. Mais avec le graphite comme matériau de cathode, les performances sont très médiocres, et il n'est pas possible d'en faire une utilisation puissante. Une autre bonne anode est le carbone dur, qui est un matériau structurel amorphe légèrement mélangé.

Les propriétés de stockage du sodium de ce matériau de carbone dur sont actuellement comparables à celles des traitements au graphite en laboratoire. Par conséquent, le meilleur matériau de cathode pour les batteries est le carbone dur, mais il n'y a pas de production à grande échelle de fabricants de carbone dur, mais certains fabricants ont mis en place une production de masse de carbone dur, mais le moment exact n'est pas certain.

L'électrolyte de la batterie lithium-ion est une solution d'hexafluorophosphate de lithium, et la batterie sodium-ion est de l'hexafluorophosphate de sodium dissous dans du carbonate de lithium, ce qui fonctionne très bien. Si l'on veut utiliser la haute tension, on utilise du perchlorate de sodium, ce qui modifie un peu le sel dissous. Mais de toute façon, c'est très similaire à l'électrolyte du lithium, le solvant reste le même.

Le diaphragme peut être exactement le même que celui d'une batterie lithium-ion. L'anode peut être utilisée comme un restricteur avec une feuille d'aluminium, car la feuille d'aluminium est beaucoup moins chère que la feuille de cuivre, et l'utilisation d'une feuille d'aluminium comme anode peut réduire la collecte de liquide. Le processus de fabrication pour collecter le fluide est également très similaire.

Ainsi, les lignes de production de lithium-ion peuvent être modifiées pour produire des batteries sodium-ion, de sorte que si une usine de batteries souhaite changer, son coût de remplacement ne sera pas trop élevé. À l'heure actuelle, le principal problème de la production de masse est qu'il s'agit d'une technologie émergente, qui doit passer du laboratoire à l'industrialisation. Sa stabilité technique et sa maturité matérielle ne seront pas très élevées.

3.FAQ sur les batteries sodium-ion

3.1 Est-il vrai que les batteries sodium-ion peuvent atteindre 160 Wh/kg aujourd'hui ?

CATL affirme que sa batterie sodium-ion a une densité énergétique de 160 Wh/kg. En théorie, c'est possible. Mais il n'y a pas de paramètre pour la durée du cycle. La stabilité cyclique actuelle n'est pas bonne. Sur le marché, les voitures électriques doivent être utilisées 2 000 fois, mais la recherche actuelle ne peut être utilisée que 1 000 fois. En l'absence de composition des matériaux et de paramètres, nous restons donc sceptiques.

Le volume de la batterie sodium-ion est plus important que celui de la batterie lithium-ion, la performance cinétique est relativement faible et le mouvement de l'ion sodium est lent. Les ions sodium sont également affectés par les basses températures, mais on ne sait pas si de nouvelles technologies ont été adoptées par le CATL.

3.2 Quels sont les principaux facteurs qui influencent la durée de vie d'une batterie sodium-ion ?

Quelle est la marge de manœuvre pour améliorer l'indice de durée de vie à l'avenir, et ensuite quand on s'attend à ce qu'il soit possible de respecter le cycle en tant que batterie de stockage d'énergie ?

Les principaux facteurs influençant la durée de vie d'une batterie sodium-ion sont la stabilité structurelle des matériaux de l'anode et de la cathode. Les ions sodium peuvent être entraînés et insérés de manière réversible. Le matériau de la cathode est un matériau économique, et ce matériau peut être changé. Certains matériaux sont relativement stables, ce qui leur permet de conserver une longue durée de vie.

La circulation de l'ion sodium n'est pas aussi bonne que celle des autres ions, principalement en raison de son grand volume et des dommages plus importants causés à la structure du matériau, qui peuvent atteindre 1000 fois en termes de durée de vie. Mais ce problème pourrait être résolu par la technologie à l'avenir. Elle peut rendre le matériau plus stable. Dans les 3 à 5 prochaines années, le cycle total pourra atteindre 3 000 à 4 000 fois sans problème.

3.3 Si le lithium est remplacé par l'ion sodium, de combien le coût diminuera-t-il ?

L'ion sodium n'a pas encore été produit en masse. Il est encore principalement utilisé en laboratoire et le coût des matériaux est plus élevé que celui du lithium industrialisé.

Mais après la production de masse, l'ensemble du processus de production est égal à la batterie au lithium, le coût total peut être réduit d'environ 50%. Mais les matériaux de l'anode et de la cathode n'ont pas été déterminés, il est donc impossible de faire une estimation. L'anode présente un léger avantage par rapport au lithium.

Le grand avantage se trouve dans la cathode, car dans la cathode, la performance relative du manganèse est plus stable aux ions métalliques, basée sur le système sodium-manganèse-oxygène, avec certains éléments tels que le nickel ou le cobalt-fer, n'est pas trop coûteuse. Cependant, les piles au lithium sont composées d'une grande quantité de nickel, ce qui ne peut pas être moins de cobalt et de nickel.

Le coût est beaucoup plus élevé que celui du manganèse, mais avec l'oxygène lithium-manganèse, les performances seront très faibles s'il y a plus de manganèse. Mais le manganèse peut être utilisé comme élément stabilisateur important dans le sodium à la place du nickel et du cobalt. En utilisant le manganèse comme principal élément métallique combiné au carbonate de sodium, après la production de masse, le coût de production sera nettement inférieur à celui de la batterie au lithium actuelle.

3.4 Existe-t-il en Chine des entreprises leaders dans le domaine des batteries sodium-ion en termes de technologie ?

Parmi les principales entreprises, CATL dispose d'une équipe chargée de fabriquer des batteries sodium-ion. Son équipe de recherche et de développement est relativement importante, ce qui lui permet d'envisager la mise en place d'une structure à long terme. En outre, de nombreuses universités se consacrent désormais à la recherche et au développement, par exemple l'Académie chinoise des sciences a incubé zhongkehaina, spécialisée dans les batteries sodium-ion.

L'université Jiaotong de Shanghai a incubé la société sodium Innovative Energy, qui se consacre principalement aux batteries de stockage d'énergie et qui est également une jeune entreprise spécialisée dans les batteries sodium-ion. Ces deux entreprises sont spécialisées dans la recherche et le développement et l'industrie des batteries sodium-ion, et ne s'engagent pas dans les batteries au lithium. L'activité principale de CATL est toujours dans d'autres aspects, juste un peu de recherche et de développement sur le sodium.

Aucune des batteries au sodium actuelles n'est arrivée à maturité et le CATL affirme qu'elles seront produites en masse dans les années à venir, mais que leurs produits resteront probablement dans les laboratoires.

3.5 Comment la nouvelle batterie sodium-ion a-t-elle été développée par Zhongkehaina ?

Zhongkehaina a mis au point une batterie sodium-ion d'une densité énergétique de 145Wh/kg et d'une durée de vie de plus de 4500 fois. La durée de vie dépend des conditions, en général, une durée de cycle de 2000 est bonne, mais si la charge dans la gamme 80% de charge et de décharge peut atteindre 3000-4000 fois. La durée de vie élevée dépend de la tension de coupure de la charge, car lorsque la tension de coupure augmente de 0,1 volt, la durée de vie diminue considérablement.

Le matériau de la cathode de Zhongkehaina est également basé sur des matériaux en couches, sur le système du sodium, du manganèse et de l'oxygène, qui est dopé avec certains éléments tels que le cuivre, le fer et le cobalt, et l'anode est également en carbone dur. L'anode est également constituée de carbone dur. L'électrolyte doit également être de l'hexafluorophosphate de sodium.

3.6 Quelles sont les mesures spécifiques concernant l'industrie des batteries sodium-ion en Chine ?

En Chine, il y a beaucoup de soutien au niveau national, mais pas de mesures concrètes. Les ministères chinois ont organisé de nombreux projets de batteries sodium-ion et investi des fonds pour encourager les instituts de recherche et les entreprises à poser leur candidature.

Ils ont investi dans la recherche et le développement pour des applications où le stockage de l'énergie est difficile, notamment les stations de stockage de l'énergie éolienne et solaire, où le sodium est nécessaire. D'autres sont temporairement indisponibles, mais des politiques seront introduites successivement.

3.7 Quelle est la différence entre les équipements de fabrication des batteries sodium-ion et des batteries lithium-ion ?

L'équipement pour la fabrication des matériaux est presque le même. Il suffit de changer la matière première. Les matériaux ternaires d'électricité de lithium ou d'oxyde de cobalt de lithium sont contrôlés par l'électricité technique et la méthode de la phase solide. Les matières premières entrant dans la chaîne de production des matériaux cathodiques sont principalement le carbonate de lithium, l'oxyde de nickel, l'acide benzénique ou le sel métallique plus le carbonate de lithium ou l'hydroxyde de lithium.

Dans une batterie sodium-ion, on garde les mêmes sels métalliques, on remplace le carbonate de lithium ou l'hydroxyde de lithium par du carbonate de sodium et de l'hydroxyde de sodium, mais l'ensemble du processus est le même. Les fabricants de cathodes peuvent en principe utiliser les équipements actuels de production d'anodes au lithium, mais les paramètres et conditions de production spécifiques doivent être ajustés.

Mais l'équipement est fondamentalement le même. La différence au niveau du graphite n'est pas très importante. L'électrolyte est fondamentalement similaire, remplaçant l'hexafluorophosphate de lithium dissous par de l'hexafluorophosphate de sodium, mais il n'y a pas de grande différence avec l'ensemble de la ligne de production de batteries au lithium.

3.8 De combien la densité énergétique augmenterait-elle si les ions sodium pouvaient être utilisés comme batteries à l'état solide ?

Les batteries à l'état solide avec des ions sodium n'ont pas beaucoup d'avantages. D'une part, sa maturité technique est encore relativement faible, le principal problème étant que l'électrolyte solide de la batterie au sodium n'a pas un état solide particulièrement bon. Aujourd'hui, la batterie à l'état solide n'est pas très mûre, ce qui constitue également l'obstacle que la batterie à l'état solide doit franchir.

Ou remplacer l'électrolyte par un électrolyte solide. Mais jusqu'à présent, les électrolytes solides n'ont pas donné de bons résultats. Les matériaux de l'anode et de la cathode sont aujourd'hui couramment utilisés comme matériaux en couches ou comme matériaux de disques durs, mais les ions sodium ont une grande proportion de volume, ce qui rend leur migration dans le solide plus difficile, et leur conductivité ionique est relativement faible dans l'électrolyte. Par conséquent, si vous voulez fabriquer une batterie sodium-ion solide, vous devez d'abord trouver une mobilité ionique élevée, afin de développer de bonnes performances pendant 5 à 10 ans.

3.9 De combien la densité énergétique d'une batterie sodium-ion pourrait-elle être augmentée si l'on trouvait de bons électrolytes ?

S'il est bien fait, il peut atteindre 150-180Wh /kg. L'électrolyte représente plus de 20% du poids de la cellule, et s'il est solide et bien fait, il peut être très fin et la densité énergétique globale peut être optimisée. Mais les électrolytes solides ne peuvent pas être très fins, il y a un risque de court-circuit, et les électrolytes plus épais peuvent réduire la densité énergétique. 

La batterie sodium-ion actuelle n'est pas encore au point, de sorte que les performances de la batterie solide sont encore bien inférieures à celles de la batterie sodium-ion liquide. La capacité de l'anode et de la cathode, à l'état liquide, permet d'utiliser 90 à 100 % de l'énergie, alors qu'à l'état solide, elle n'est que de 60 à 70 %. En raison de la migration des ions dans le solide, l'électrolyte peut pénétrer dans l'anode et la cathode, et toutes les particules des matériaux de l'anode et de la cathode peuvent entrer en contact avec l'électrolyte.

Mais dans le solide, il est nécessaire d'avoir un canal de transmission des ions, mais dans la cathode et l'anode, cela peut conduire à ce que les particules ne puissent pas toucher la cathode et l'anode de l'électrolyte, le taux d'utilisation de la cathode et de l'anode sera réduit, et l'amélioration de la densité d'énergie sera limitée.

3.10 Existe-t-il des projets de développement de batteries sodium-ion dans le monde ?

Les États-Unis et l'Europe ont maintenant quelques projets de recherche, y compris les États-Unis qui ont également mis en place un certain nombre de projets de recherche et de développement de batteries sodium-ion, mais les progrès de développement des États-Unis sont toujours derrière la Chine et la Corée du Sud, alors que la Chine et la Corée du Sud sont maintenant devant les États-Unis et l'Europe.

Plusieurs start-ups américaines souhaitent également commercialiser des batteries sodium-ion, mais elles ne disposent pas de l'échelle et de la technologie nécessaires pour le faire. Les sociétés sud-coréennes LG, Samsung et SKI sont également en cours de mise au point, et leurs progrès sont similaires à ceux de la Chine.

3.11 Lorsque la technologie de l'ion sodium aura atteint sa maturité, quel pourcentage de la capacité totale de la batterie pourra être pris en compte ?

L'avantage technique de l'ion sodium réside dans sa production de masse, mais son inconvénient est qu'il est moins dense en énergie que les batteries lithium-ion. Ses applications se concentrent principalement sur le stockage de l'énergie et les outils électriques qui ne nécessitent pas une densité énergétique élevée, tels que les véhicules électriques à faible vitesse, les bus électriques, etc.

Ainsi, si les batteries sodium-ion arrivent à maturité, elles pourraient représenter plus de 50% du marché du stockage de l'énergie. Mais dans le domaine des batteries d'énergie, il est peu probable que les batteries sodium-ion détiennent une part de marché élevée, de l'ordre de 20%.

3.12 Batterie sodium-ion ou batterie à combustible, laquelle peut se développer le plus rapidement et avec le plus de maturité ?

En termes de maturité technologique, l'optimisme est de mise pour la batterie sodium-ion, car le processus est très similaire à celui de la batterie lithium-ion, et la batterie lithium-ion est très mature, de sorte que le processus de production de masse de la batterie sodium-ion sera promu très rapidement, et la chaîne industrielle correspondante pourra être établie en l'espace de 2 à 3 ans.

Mais la production de masse et l'application des piles à combustible sont encore relativement éloignées. Les piles à combustible sont la solution ultime au problème de l'énergie. Les réactions de l'hydrogène et de l'oxygène sont très propres et la densité énergétique est très élevée. Mais le goulot d'étranglement est le stockage et la libération de l'hydrogène, ainsi que les métaux précieux utilisés comme catalyseurs dans les piles à combustible, dont le coût est difficile à réduire et pour lesquels il est difficile de trouver des technologies alternatives de catalyse fine.

Ces deux goulets d'étranglement techniques sont donc difficiles à surmonter à court terme. Les piles à combustible ne seront peut-être pas prêtes avant 3 à 50 ans, et le coût de la production d'hydrogène peut baisser.

3.13 Si la Chine peut fournir elle-même les matières premières du sodium, n'est-il pas nécessaire d'importer du lithium ?

Les minéraux chinois suffisent pour les matières premières de l'ion sodium.

3.14 Les batteries sodium-ion, les batteries lithium-ion et les piles à combustible peuvent-elles coexister ?

Les possibilités sont nombreuses. Car chaque technologie a ses propres caractéristiques et scénarios d'application. Les batteries au plomb, par exemple, ne disparaîtront pas non plus. Le volume et l'utilisation des batteries au plomb actuelles augmentent chaque année, mais pas aussi rapidement que les batteries au lithium.

3.15 Où l'acide de plomb est-il aujourd'hui utilisé à grande échelle ?

Batterie de démarrage et d'arrêt de la centrale de stockage d'énergie et de la voiture à carburant. Parce que sa technologie est mature, le cycle de l'industrie, comme le recyclage des batteries, se porte également bien. Le plomb est toxique et polluant, mais un bon cycle de recyclage peut également éviter la contamination. Cette technologie de recyclage est un avantage que les batteries lithium-ion n'ont pas encore. Cependant, après la mise au rebut d'un grand nombre de piles au lithium, le recyclage des piles pose également un gros problème.