Uvod
V hitro razvijajočem se svetu shranjevanja energije se natrijevo-ionske baterije uveljavljajo kot obetavna alternativa tradicionalnim litij-ionskim in svinčevo-kislinskim baterijam. Z najnovejšim tehnološkim napredkom in vse večjim povpraševanjem po trajnostnih rešitvah imajo natrijevo-ionske baterije edinstvene prednosti. Odlikujejo jih odlična zmogljivost pri ekstremnih temperaturah, impresivne hitrostne zmogljivosti in visoki varnostni standardi. V tem članku so predstavljene zanimive aplikacije natrijevih ionskih baterij in raziskano, kako bi lahko nadomestile svinčeve baterije in delno nadomestile litij-ionske baterije v določenih scenarijih - vse to pa je stroškovno učinkovita rešitev.
Kamada Power je Kitajska Proizvajalci natrijevih ionskih baterij, ki ponuja Natrijeva ionska baterija za prodajo in . 12V 100Ah natrijev ionski akumulator, 12V 200Ah natrijev ionski akumulator, podpora prilagojena nano baterija napetost (12V, 24V, 48V), zmogljivost (50Ah, 100Ah, 200Ah, 300Ah), funkcija, videz in tako naprej.
1.1 Več prednosti natrijevo-ionske baterije
Natrijevo-ionske baterije se v primerjavi z litij-železo-fosfatnimi (LFP) in ternarnimi litijevimi baterijami razlikujejo po prednostih in področjih, ki jih je treba izboljšati. Ko bodo te baterije prešle v množično proizvodnjo, se pričakuje, da bodo blestele s stroškovnimi ugodnostmi zaradi surovin, odličnim ohranjanjem zmogljivosti pri ekstremnih temperaturah in izjemno hitrostjo delovanja. Vendar imajo trenutno nižjo energijsko gostoto in krajšo življenjsko dobo cikla, kar sta področji, ki ju je še vedno treba izpopolniti. Kljub tem izzivom natrijevo-ionske baterije v vseh pogledih prekašajo svinčevo-kislinske baterije in so pripravljene, da jih nadomestijo, ko se bo proizvodnja povečala in stroški znižali.
Primerjava zmogljivosti natrijevih ionskih, litij-ionskih in svinčevo-kislinskih baterij
| Funkcija | Natrijevo-ionska baterija | Baterija LFP | Ternarna litijeva baterija | svinčevo-kislinska baterija |
|---|---|---|---|---|
| Energijska gostota | 100-150 Wh/kg | 120-200 Wh/kg | 200-350 Wh/kg | 30-50 Wh/kg |
| Življenjski cikel | Več kot 2000 ciklov | Več kot 3000 ciklov | Več kot 3000 ciklov | 300-500 ciklov |
| Povprečna delovna napetost | 2.8-3.5V | 3-4.5V | 3-4.5V | 2.0V |
| Visokotemperaturna zmogljivost | Odlično | Slaba | Slaba | Slaba |
| Delovanje pri nizkih temperaturah | Odlično | Slaba | Fair | Slaba |
| Hitro polnjenje zmogljivosti | Odlično | Dobro | Dobro | Slaba |
| Varnost | Visoka | Visoka | Visoka | Nizka |
| Toleranca za prekomerno praznjenje | Izpraznitev do 0V | Slaba | Slaba | Slaba |
| Stroški surovin (pri 200 tisoč CNY/tono za litijev karbonat) | 0,3 CNY/Wh (po zapadlosti) | 0,46 CNY/Wh | 0,53 CNY/Wh | 0,40 CNY/Wh |
1.1.1 Vrhunska ohranitev zmogljivosti natrijevo-ionske baterije pri ekstremnih temperaturah
Natrijevo-ionske baterije so prvaki pri prenašanju ekstremnih temperatur, saj učinkovito delujejo med -40 °C in 80 °C. Pri visokih temperaturah (55 °C in 80 °C) se izpraznijo z več kot 100% svoje nazivne zmogljivosti, pri -40 °C pa še vedno ohranijo več kot 70% svoje nazivne zmogljivosti. Prav tako omogočajo polnjenje pri -20 °C s skoraj 100% učinkovitostjo.
Natrijevo-ionske baterije so po zmogljivosti pri nizkih temperaturah boljše od baterij LFP in svinčevo-kislinskih baterij. Pri -20 °C natrijevo-ionske baterije ohranijo približno 90% svoje zmogljivosti, medtem ko se zmogljivost LFP baterij zmanjša na 70%, svinčevih baterij pa le na 48%.
Krivulje praznjenja natrijevo-ionskih baterij (levo), baterij LFP (v sredini) in svinčevo-kislinskih baterij (desno) pri različnih temperaturah
1.1.2 Izjemna hitrost delovanja natrijevo-ionske baterije
Natrijevi ioni imajo zaradi manjšega Stokesovega premera in manjše solvatacijske energije v polarnih topilih večjo prevodnost elektrolita v primerjavi z litijevimi ioni. Stokesov premer je merilo za velikost krogle v tekočini, ki se usede z enako hitrostjo kot delec; manjši premer omogoča hitrejše gibanje ionov. Manjša solvatacijska energija pomeni, da se natrijevi ioni lažje znebijo molekul topila na površini elektrode, kar poveča difuzijo ionov in pospeši kinetiko ionov v elektrolitu.
Primerjava velikosti solvatiranih ionov in solvatacijskih energij (KJ/mol) natrija in litija v različnih topilih
Visoka prevodnost elektrolita zagotavlja impresivno hitrost delovanja. Natrijevo-ionsko baterijo lahko napolnite do 90% v samo 12 minutah - hitreje kot litij-ionske in svinčeve baterije.
Primerjava zmogljivosti hitrega polnjenja
| Vrsta baterije | Čas polnjenja do zmogljivosti 80% |
|---|---|
| Natrijevo-ionska baterija | 15 minut |
| Ternarni litij | 30 minut |
| Baterija LFP | 45 minut |
| svinčevo-kislinska baterija | 300 minut |
1.1.3 Izjemna varnost natrijevo-ionske baterije v ekstremnih razmerah
Pri litij-ionskih baterijah lahko pride do toplotnega izčrpavanja v različnih pogojih zlorabe, kot so mehanske zlorabe (npr. drobljenje, prebadanje), električne zlorabe (npr. kratki stiki, prekomerno polnjenje, prekomerno praznjenje) in toplotne zlorabe (npr. pregrevanje). Če notranja temperatura doseže kritično točko, lahko sproži nevarne stranske reakcije in povzroči prekomerno segrevanje, kar vodi v toplotni pobeg.
Po drugi strani pa natrijevo-ionske baterije pri varnostnih preskusih niso imele enakih težav s toplotnim pobegom. Uspešno so prestale ocene za prekomerno polnjenje/razpolnjevanje, zunanje kratke stike, staranje pri visoki temperaturi in preskuse zlorabe, kot so drobljenje, prebadanje in izpostavljenost ognju, brez tveganj, povezanih z litij-ionskimi baterijami.
2.2 Stroškovno učinkovite rešitve za različne aplikacije, ki širijo tržni potencial
Natrijevo-ionske baterije se odlikujejo po stroškovni učinkovitosti v različnih aplikacijah. Na več področjih so boljše od svinčevo-kislinskih baterij, zato so privlačna zamenjava na trgih, kot so majhni energetski sistemi za dvokolesa, avtomobilski start-stop sistemi in telekomunikacijske bazne postaje. Z izboljšanjem učinkovitosti cikla in zmanjšanjem stroškov z množično proizvodnjo bi lahko natrijevo-ionske baterije delno nadomestile tudi baterije LFP v električnih vozilih razreda A00 in scenarijih za shranjevanje energije.
Uporaba natrijevo-ionske baterije
- Majhni energetski sistemi za dvokolesa: Natrijevo-ionske baterije imajo v primerjavi s svinčevo-kislinskimi baterijami boljše stroške življenjskega cikla in gostoto energije.
- Avtomobilski sistemi za zagon in zaustavitev: Njihova odlična zmogljivost pri visokih in nizkih temperaturah ter izjemna življenjska doba ciklov dobro ustrezajo zahtevam avtomobilskega sistema start-stop.
- Telekomunikacijske bazne postaje: Zaradi visoke varnosti in tolerance za preveliko izpraznitev je natrijevo-ionska baterija idealna za ohranjanje energije med izpadi.
- Shranjevanje energije: Natrijevo-ionske baterije so zaradi visoke varnosti, odličnih temperaturnih lastnosti in dolge življenjske dobe primerne za shranjevanje energije.
- Električna vozila razreda A00: Zagotavljajo stroškovno učinkovito in stabilno rešitev, ki ustreza potrebam po gostoti energije za ta vozila.
2.2.1 Električna vozila razreda A00: Obravnava vprašanja nihanja cen LFP zaradi stroškov surovin
Električna vozila razreda A00, znana tudi kot mikroavtomobili, so zasnovana tako, da so stroškovno učinkovita in kompaktna, zato so idealna za premagovanje prometa in iskanje parkirnih mest na natrpanih območjih.
Pri teh vozilih so stroški baterije pomemben dejavnik. Cene večine avtomobilov razreda A00 se gibljejo med 30.000 in 80.000 CNY in so namenjene cenovno občutljivemu trgu. Ker baterije predstavljajo znaten del stroškov vozila, so stabilne cene baterij ključnega pomena za prodajo.
Ti mikroavtomobili imajo običajno doseg manj kot 250 km, le majhen odstotek pa do 400 km. Zato visoka gostota energije ni glavna skrb.
Natrijevo-ionske baterije imajo stabilne stroške surovin, saj temeljijo na natrijevem karbonatu, ki ga je veliko in je v primerjavi z baterijami LFP manj podvržen nihanju cen. Njihova energijska gostota je konkurenčna za vozila razreda A00, zato so stroškovno učinkovita izbira.
2.2.2 Trg svinčevo-kislinskih baterij: 2.2.2.2 Trg natrijevo-ionskih baterij, ki so na splošno uspešnejše in so pripravljene na zamenjavo
Svinčevo-kislinske baterije se uporabljajo predvsem v treh aplikacijah: majhni energetski sistemi za dvokolesnike, avtomobilski start-stop sistemi in rezervne baterije za telekomunikacijske bazne postaje.
- Mali energetski sistemi za dvokolesa: Natrijevo-ionske baterije imajo v primerjavi s svinčevo-kislinskimi baterijami boljšo zmogljivost, daljšo življenjsko dobo in večjo varnost.
- Avtomobilski sistemi za zagon in zaustavitev: Zaradi visoke varnosti in hitrega polnjenja so natrijevo-ionske baterije idealna zamenjava za svinčevo-kislinske baterije v sistemih start-stop.
- Telekomunikacijske bazne postaje: Natrijevo-ionske baterije so v primerjavi s svinčevo-kislinskimi baterijami bolj zmogljive glede vzdržljivosti pri visokih in nizkih temperaturah, stroškovne učinkovitosti in dolgoročne varnosti.
Natrijevo-ionske baterije so v vseh pogledih boljše od svinčevo-kislinskih baterij. Sposobnost učinkovitega delovanja pri ekstremnih temperaturah, skupaj z večjo gostoto energije in cenovnimi prednostmi, uvršča natrijevo-ionsko baterijo med ustrezne nadomestke za svinčeve baterije. Pričakuje se, da bodo natrijevo-ionske baterije prevladovale, ko bo tehnologija dozorela in se bo povečala stroškovna učinkovitost.
Zaključek
Iskanje inovativnih rešitev za shranjevanje energije se nadaljuje, Natrijevo-ionska baterija se odlikuje kot vsestranska in stroškovno učinkovita možnost. Njihova sposobnost dobrega delovanja v širokem temperaturnem razponu, skupaj z impresivnimi zmogljivostmi hitrosti in izboljšanimi varnostnimi funkcijami, jih uvršča med močne tekmece na trgu baterij. Naj gre za napajanje električnih vozil razreda A00, zamenjavo svinčevo-kislinskih baterij v majhnih energetskih sistemih ali podporo telekomunikacijskim baznim postajam, natrijevo-ionske baterije ponujajo praktično in v prihodnost usmerjeno rešitev. S stalnim napredkom in potencialnim zmanjšanjem stroškov z množično proizvodnjo bo natrijevo-ionska tehnologija igrala ključno vlogo pri oblikovanju prihodnosti shranjevanja energije.
