Analyse des neuen Energiewettlaufs - Forschung zu Natriumsalzbatterien

Einführung in die Natriumsalzbatterietechnologie

Von 1967 bis 1982 forschte die britische Eisenbahn an Natrium-Nickel-Batterien, und 1982 wurde im Vereinigten Königreich das Beta Institute gegründet, um die Massenproduktion dieser Batterieforschung durchzuführen.

Von 1987 bis 1997 wurden Forschungen an elektrischen Personenkraftwagen durchgeführt und fünf Jahre lang eine Lebensdauererprobung über einhunderttausend Kilometer durchgeführt, ohne dass größere Probleme auftraten.

Im Jahr 1999 erwarb MES-DEA die Technologie des Beta Research Institute und begann mit der Massenproduktion.

Im Jahr 2001 führte GE in den USA eine Evaluierung der Energiespeichertechnologie durch. Nach langer Erforschung stellte sich heraus, dass die Natrium-Nickel-Batterie eine ausgezeichnete Energiespeicherbatterie ist. Im Jahr 2007 erwarb GE das Beta Research Institute im Vereinigten Königreich und 2012 schloss GE den Bau der Anlage ab.

Im Jahr 2017 gründete Chilwee im April 2019 die Zhejiang AMPower Co., Ltd., das erste Massenproduktionsunternehmen in China.

Zu Beginn des neuen Jahres 2023 gab AMPower weiterhin einen Großauftrag aus, im Zuge dessen mehr als 290 Batteriegruppen verkauft wurden, was einen guten Start bedeutete!

Prozessverlauf der Natriumsalzbatterie

Dieser Batterietyp wird auch als Natrium-Feststoffbatterie bezeichnet. Im Batteriesystem besteht die negative Elektrode aus Natriummetall und die positive Elektrode aus Nickelchlorid. Der erste Elektrolyt ist Beta-Aluminiumoxid und der andere ist ein anorganisches Salz, Natriumtetrachloroaluminat. Die Betriebstemperatur beträgt etwa 250 bis 350 Grad. Natriumionen wandern durch die Festelektrolytmembran hin und her, um den Gewinn und Verlust der Batterie zu realisieren und schließlich das Laden und Entladen zu realisieren. Dies ist der Mechanismus der Batterie. Die Laufzeitreaktion ist wie folgt:

Beim Laden einer Batterie fließen Elektronen vom Pluspol zum Minuspol. Die Natriumionen im Salz (Natriumchlorid) wandern durch die feste Keramikelektrode zum Minuspol des Tanks. Die verbleibenden Chloridionen haften am Nickel und bilden Nickelchlorid im Kathodenmedium. Das Natrium bildet eine geschmolzene Anodenschicht auf der Außenseite des Keramikrohrs, die mit dem Stahltank in Kontakt kommt und die Batterie vollständig auflädt. Während der Entladung kehren die Elektronen zurück und das geschmolzene Natrium wird zu Na+-Ionen oxidiert, die durch feste Keramikrohre zurückgeführt werden, um Natriumchlorid zu bilden. Nickelchlorid wird zu Nickelmetall reduziert. Die elektrochemische Reaktion der Batterie ist wie folgt:

Der technische Weg lässt sich grob wie folgt einteilen:

Das Kathodenmaterial der Natrium-Nickel-Batterie besteht aus festem Natriumchlorid und Nickelpartikeln, die Membran ist ein Keramikrohr und der Elektrolyt ist Natriumtetrachloroaluminat. Alle Materialien sind sehr gebräuchlich, sodass die Kosten sehr niedrig sind.

Zweitens entsteht in Abwesenheit chemischer Reaktionen kein monomeres Natrium. Im Inneren der Batterie befinden sich weder Säuren noch andere organische Lösungsmittel. Daher ist die Natrium-Nickel-Batterie ungiftig und stellt keine Gefahr für die Umwelt dar.

Im Allgemeinen ist die relativ sichere Batterieenergiedichte relativ niedrig. Die Volumenenergiedichte einer Natrium-Nickel-Batterie kann 400 Wh/l erreichen, was nahe an ternärem Lithium liegt. Die Gewichtsenergiedichte kann 160 Wh/kg erreichen, und die Gewichtsenergiedichte nach der Gruppierung kann 110-120 Wh/kg erreichen, was dem Niveau von Lithiumeisenphosphatmaterial ähnelt. Die Natrium-Nickel-Batterie ist eine gute Alternative zur Lithiumeisenphosphat-Batterie, die derzeit in der Energiespeicherung im großen Maßstab verwendet wird.

In Bezug auf die Zyklenlebensdauer sind Natrium-Nickel-Batterien ebenfalls für die Energiespeicherung ausgelegt. Ihre individuelle spezifische Energie erreicht 135 Wattstunden pro Kilogramm, die Lebensdauer ist 2 bis 5 Mal so hoch wie bei Lithiumbatterien, die 80% DOD-Zyklenlebensdauer beträgt bis zu 7500 Zyklen, nach der Zusammensetzung des Systems ist das Volumen mehr als 50 % kleiner als bei Lithiumbatteriesystemen, die gesamten Lebenszykluskosten sind 50 % niedriger als bei Lithiumbatterien.

Vorteile der Natriumsalzbatterie

(1) Kosten, da keine teuren Metalle wie Kupfer, Lithium und Kobalt verwendet werden. Stattdessen werden feste keramische Elektrolyte und gewöhnliches Natriumsalz verwendet. Es ist reichlich vorhanden, leicht zu beschaffen, es gibt keine Probleme in der Lieferkette und es ist billig.

(2) Hohe Sicherheit, es sind keine Sicherheitsvorkehrungen auf Zellebene und keine Feuerlöschvorrichtung erforderlich, da das Innere der Batterie aus anorganischem Salz, anorganischem Metall, Natrium, Nickel und festem Elektrolyt besteht, das Aluminiumoxid ist. Im Gegensatz zu Lithium besteht der Elektrolyt im Inneren aus organischem Material, während es sich um anorganisches Material handelt, und es gibt keine brennenden Stoffe. Die Batterie brennt oder explodiert in keiner Weise. Dies ist das größte Merkmal der Batterie.

(3) Gute Umweltverträglichkeit, die Batterie verträgt sehr gute Temperaturen und kann bei Kapazitäts- und Energietests bei minus 40 Grad 100,9 % der Raumtemperatur freisetzen. Bei Kapazitäts- und Energietests bei +60 Grad können 101,6 % der Raumtemperatur freigesetzt werden. Natriumbatterien können daher in der Wüste in sehr, sehr heißen ebenso wie in sehr, sehr kalten Klimazonen verwendet werden.

(4) Lange Lebensdauer. Die wichtigste Technologie der Batterie ist ein fester Elektrolyt, Beta-Aluminiumoxid, der als Elektrolyt und Membran fungiert. Andererseits ist es eine gute Technik, die positive und die negative Elektrode zu kombinieren und Partikel in das Keramikrohr zu bringen. Was die Batterielebensdauer betrifft, haben die Leute in Großbritannien 80 % der Tests des Verteidigungsministeriums durchgeführt, und nach 3.500 Wochen waren wahrscheinlich mehr als 90 % der Leistung übrig. Die normale Lebensdauer eines Batteriemoduls beträgt mehr als 4500 Zyklen. Nach der bestehenden Testsituation wird die Lebensdauer der Batterie vorhergesagt. Wenn sie 2 Stunden beträgt, wird die Lebensdauer der Batterie auf 6.000 Mal geschätzt, 3 Stunden auf 10.000 Mal, 8 Stunden auf 25.000 Mal.

Der zweite Aspekt ist die Verbesserung der Überlade- und Entladeleistung. Beim Überlade- und Entladevorgang ist das erzeugte Material die Batterie selbst, entweder aktives Material oder der Rohstoff der Batterie. Der Rohstoff entsteht bei einer Verbindungsreaktion bei hohen Temperaturen und wird zur aktiven Substanz.

Der dritte Aspekt der Kurzschlussfestigkeit ist gut. Lithiumionen verursachen aufgrund eines Kurzschlusses eine thermische Kontrolle des Batteriemoduls. Wenn das Keramikrohr in der Natriumsalzbatterie bricht und kurzgeschlossen wird, reagieren das metallische Natrium und der Elektrolyt Natriumtetrachlorchlorat zu Aluminium. Der Spalt zwischen den Rissen im Keramikrohr wird mit Aluminium gefüllt, um eine weitere Reaktion zu verhindern, und die positiven und negativen Elektroden sind leitfähig. Auf diese Weise entspricht die kurzgeschlossene Batterie einem Leiter, und die Spannung des gesamten Batteriemoduls entspricht einem Spannungsabfall einer Zelle von 2,58 Volt. Darüber hinaus dürfen 5 bis 10 % der Batteriemodule ausfallen, und das Modul kann innerhalb des Ausfallbereichs der Zelle normal verwendet werden.