動力電池の新時代におけるナトリウムイオン電池の台頭

ナトリウム電池電気自動車の時代の到来

2024 年初めに、世界初のナトリウムイオン電池電気自動車が正式にユーザーに届けられました。新型車の航続距離は最大252キロメートルで、円筒型ナトリウムイオン電池3万2140個を搭載する。セルは次の技術的ルートを採用しています。"酸化物状銅ベース＋ハードカーボン"、モノマー容量は12Ah、エネルギー密度は140Wh/kg以上で、高い安全性、高いエネルギー密度、優れた低温性能という利点があります。近年、寧徳時報を含め、ナトリウムエネルギーやその他の国内企業もナトリウムイオン電池産業の配置を加速しており、現在では少量生産と性能評価を達成しており、ナトリウム電池路面電車の開発初年度を迎えることが期待されている。 24年。

ナトリウムイオン電池とリチウムイオン電池

ナトリウムイオン電池は、その独特の利点により、大規模商業用途向けの別の二次電池技術となることが期待されています。リチウムイオン電池と比較して、ナトリウムイオンは溶媒和相互作用容量が強く、ストーク半径が小さいため、低濃度のナトリウムイオン電解液でより高いイオン伝導率を実現できます。ナトリウムとリチウムは隣接する元素の同じ主族に属しており、化学的性質が非常に類似しているため、ナトリウムイオン電池の動作原理はリチウムイオン電池の動作原理と似ています。"ロッキングチェア"機構。ナトリウムイオン電池は、正極、負極、隔膜、電解液、集液器で構成されています。充電および放電プロセスは、正極材料と負極材料の間のナトリウムイオンの可逆的な埋め込みおよび埋め込み解除によって実現されます。充電の過程で、ナトリウムイオンが正極から除去され、負極に埋め込まれて、NAが少ない正極とNaが豊富な負極が形成されます。放電過程では、ナトリウムイオンが負極から正極に逆に埋め込まれ、充放電のバランスが保たれます。電子は外部回路内を移動し、ナトリウムイオンの移動との電荷バランスを維持します。ナトリウムイオン電池は、その特性上、リチウムイオン電池製造装置との親和性が高く、工業化の難易度が低く、今後の市場展開が期待できます。

エネルギー密度の観点から見ると、ナトリウムイオン電池のセルは通常 105 ～ 150wh/kg の範囲にあります。リチウムイオン電池セルのエネルギー密度は一般に 190wh/kg を超え、ニ 含有量が高い一部の三元系では 230wh/kg を超えるものもあります。現在のナトリウムイオン電池はまだ三元系リチウム電池と比較することはできませんが、リン酸鉄リチウム電池の120～200wh/kg、鉛蓄電池の35～45wh/kgと比較すると、ナトリウムイオン電池は一定の競争力を持っています。 。動作温度範囲と安全性の点で、ナトリウムイオン電池には明らかな利点があります。動作温度範囲は -40℃ ～ 80℃ ですが、三元系リチウムイオン電池の動作範囲は通常 -20℃ ～ 60℃ です。 0 ° C 未満の環境では、リチウム電池の性能が影響を受けます。これに対し、ナトリウムイオン電池は、-20％u00b0℃でも80％以上のSOC保持率が得られます。また、ナトリウムイオン電池は内部抵抗が大きいため発熱しにくく、より安全性が高いと言えます。熱暴走という意味では。充電速度の点では、三元リチウム電池では少なくとも 40 分、リン酸鉄リチウムでは 45 分かかるのに対し、ナトリウムイオン電池はわずか 10 分でフル充電できます。全体として、エネルギー密度ではリチウムイオン電池に匹敵することはできませんが、ナトリウムイオン電池は、低温安定性と充電速度の点で現在の新エネルギー車の 2 つの大きな問題点を十分に解決でき、依然として、米国政府が検討している選択肢の 1 つです。大手自動車会社。

ナトリウムイオン電池用層状酸化物の技術的ルートの簡単な分析

カソード材料 - 層状遷移金属酸化物

ナトリウムイオン層状遷移金属酸化物は通常 ナックスMO2 で表されます。M は ミネソタ、ニ、銅、鉄、共同 などの遷移金属元素です。この研究では、ナックスMO2 の配列が O 型と O 型に分けられることを示しています。 P型であり、その構造図は以下の通りです。この遷移金属酸化物の層状構造は、ナトリウムイオンの埋め込みおよび埋め込み解除のためのチャネルを提供するだけでなく、MO6 八面体構造を利用することで全体の構造の安定性も高めます。このため、電気化学的性能に優れており、現在ナトリウムイオン電池の正極材料として主流となっている。同時に、この材料は電解質技術と高い相関性を持っています。

酸化第二銅の正極材料 銅FeO2 は、室温でのナトリウムイオン電池に適しています。銅をベースとしたこの材料は、220 mAh/g の可逆容量を示し、その電気化学反応メカニズムには主に 銅2 /銅 の レドックス 反応が含まれます。 銅FeO2 の動作電圧は 2.4V に達し、優れたサイクル安定性を備えています。この材料は、低コスト、優れた性能、環境に優しいという特徴を有しており、一定の見通しを示している。

負極材料 - 炭素系材料

ナトリウムイオン電池の負極材料には、炭素系材料、チタン系材料、合金材料、有機材料など多くの種類があります。中でも炭素系材料は、入手の容易さと低コストから、最も有力な候補材料とされている。炭素系材料は主に結晶質炭素と非晶質炭素の2つに分類され、結晶質炭素は主に天然黒鉛と人造黒鉛であり、リチウムイオン電池の主な負極材料となります。しかし、ナトリウムイオン電池の負極として黒鉛を使用すると、ナトリウムイオンを埋め込むことができず、比容量が低くなり実用に耐えられない。アモルファスカーボン材料には主にハードカーボンとソフトカーボンがあります。ハードカーボンは、高い初期放電容量、良好なレート性能、および構造安定性を示し、優れた電気化学的性能の利点を備えており、現在、負極材料の最初の選択肢となっています。ソフトカーボンは低コストで電気化学活性が高く、高い可逆容量が得られるものの、比容量が低く、体積膨張の問題を解決する必要がある。豊富な資源、低コスト、構造の多様性、優れた電気化学的性能といった総合的な利点により、非晶質炭素材料は一般に、業界でナトリウムイオン電池用の最も有望な負極材料の 1 つと考えられています。 

ハードカーボンはさまざまな前駆体システムによって調製でき、前駆体の違いは最終的なハードカーボンの微視的形態や欠陥度に影響を与え、さらにその電気化学的性能に影響を与えます。

電解質

正極材料と負極材料に加えて、電解質も不可欠な反応媒体です。ナトリウムイオン電池の電解液は主にナトリウム塩、溶媒、添加剤の3つの部分で構成されています。ナトリウム塩は電解質において重要な役割を果たし、バッテリーの充放電性能と寿命に直接影響します。電池の安定した動作を維持するために、ナトリウム塩は良好な電気化学的安定性を有し、電極材料と副反応を起こしてはならない。理想的には、ナトリウム塩は、選択した溶媒系に完全に溶解し、電気化学的に活性なナトリウムイオンを生成できる必要があります。その結果、ナトリウム塩は電解質中を自由に移動し、可逆反応のために電極表面に迅速に到達できます。さらに、高品質のナトリウム塩は、バッテリーの安全性を向上させるために、他のバッテリーコンポーネントとの副反応も最小限に抑える必要があります。

今後の展開の展望

コストの点では、ナトリウムイオン電池はリチウムイオン電池に比べて利点がありますが、エネルギー密度には明らかな欠陥があり、現在は主に電池寿命の要件が短く、コスト感度が高い小型の軽自動車に搭載されています。近年の新エネルギー自動車の爆発的な発展により、リチウムイオン資源はますます不足しており、ナトリウムイオン電池技術は発展の黄金期を迎えると予測されています。材料、電気化学的性能、安全性などの面での継続的な進歩により、ナトリウムイオン電池の工業化も加速しており、現在の小型および超小型電気自動車に加えて、将来的にはプラグインハイブリッドも期待されています。車両価格はさらに引き下げられます。