В условиях растущего глобального спроса на возобновляемую и чистую энергию эффективные и устойчивые энергетические решения становятся все более важными. Из-за нехватки литиевых ресурсов, натриевые батареи с 2010 года получили широкое внимание со стороны научных кругов и промышленности как внутри страны, так и за рубежом, и соответствующие исследования быстро расширились.
В настоящее время натриевые батареи перешли от лабораторной стадии к рыночному применению. Многие компании по всему миру, такие как китайская Ningde Times и японская Kishida Chemical, начали разрабатывать свои промышленные схемы для натриевых батарей.
В июне 2018 года китайская компания ZhongkeHaina выпустила первый в мире тихоходный электромобиль с натриевой батареей (72 В, 80 Ач), а в июне 2021 года компания запустила систему накопления энергии на натриевой батарее мощностью 1 МВтч.
В этой статье рассматриваются характеристики, преимущества, коммерческая ценность и перспективы дальнейшего развития натриевых батарей.
Содержание
Как работают натриевые батареи
Преимущества и характеристики натриевых аккумуляторов
Область применения натриевых батарей
Перспективы рынка и тенденции развития натриевых аккумуляторов
Заключение
Как работают натриевые батареи
Натриевая батарея — это вторичная (перезаряжаемая) батарея, функционирование которой в первую очередь зависит от движения ионов натрия между положительным и отрицательным электродами. Натриевая батарея состоит из положительного электрода, отрицательного электрода, токосъемника, электролита и сепаратора.
Принцип работы натриевых батарей аналогичен принципу работы литий-ионных батарей. Во время зарядки и разрядки ионы натрия движутся вперед и назад между двумя электродами. При зарядке ионы натрия деинтеркалируются с положительного электрода и внедряются в отрицательный электрод через электролит. Во время разрядки процесс обратный: ионы натрия извлекаются из отрицательного электрода, проходят через электролит и интеркалируются в материал положительного электрода, восстанавливая положительный электрод до богатого натрием состояния.
Преимущества и характеристики натриевых аккумуляторов
По сравнению с традиционными литий-ионными батареями, натриевые батареи имеют ряд уникальных преимуществ и характеристик.
Например, натриевые батареи относительно недороги. Натриевые батареи в основном изготавливаются из солей натрия, которые более распространены и дешевле солей лития. Кроме того, в натриевых батареях в качестве положительных электродов используются материалы на основе марганца и никеля, которые не требуют использования редких и дорогих металлов кобальта или никеля, что еще больше снижает затраты на материалы. Таким образом, общая стоимость производства натриевых батарей относительно невелика.
Во-вторых, натриевые аккумуляторы очень безопасны. Они имеют более высокое внутреннее сопротивление, что приводит к меньшему выделению тепла при коротком замыкании. Следовательно, они более стабильны во время зарядки и разрядки и представляют меньшую угрозу безопасности, например, в результате возгорания или взрыва. Кроме того, натриевые аккумуляторные батареи имеют меньше температурных ограничений при использовании и могут нормально функционировать даже при высоких или низких температурах.
В-третьих, натриевые батареи более экологичны, поскольку не содержат токсичных элементов и элементов тяжелых металлов, таких как свинец и ртуть. По сравнению с другими типами батарей, натриевые батареи также оказывают меньшее негативное воздействие на окружающую среду при производстве, использовании и переработке.
В-четвертых, они имеют длительный срок службы. Натриевые аккумуляторы могут заряжаться несколько тысяч раз и более, что значительно выше, чем у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов или литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, использование натриевых батарей может снизить затраты на замену батарей и затраты на техническое обслуживание.
Область применения натриевых батарей
Недостатком натриевых батарей является то, что по сравнению с литиевыми они имеют более низкую плотность энергии, а это означает, что им, как правило, требуется больше места для того же количества хранимой энергии, и они имеют определенные ограничения по пространству использования. Поэтому ожидается, что сначала они будут применены в тихоходных электромобилях. По мере развития отрасли вполне вероятно, что натриевые батареи будут постепенно применяться в сценариях хранения энергии, таких как хранение возобновляемой энергии, домашнее хозяйство, сетевое хранение энергии и т. д.
Несмотря на уменьшенную емкость, комплексные характеристики натриевых батарей тем не менее лучше, чем у свинцово-кислотных. В условиях глобальной тенденции «зеленого» развития и защиты окружающей среды замена недолговечных, сильно загрязняющих свинцово-кислотных батарей натриевыми батареями, похоже, станет общей тенденцией. Индустриализация натриевых батарей все еще находится в зачаточном состоянии, но ожидается, что последующие затраты снизятся и в конечном итоге станут ниже, чем у свинцово-кислотных батарей, что позволит обеспечить крупномасштабное промышленное применение.
Кроме того, благодаря низкой стоимости и длительному сроку службы натриевые батареи обладают уникальными преимуществами в крупномасштабных системах хранения энергии. По сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторными системами, системы хранения энергии, построенные с использованием натриевых батарей, могут удовлетворять потребности в энергии более экономично и надежно. Таким образом, натриевые батареи будут играть важную роль в хранении избыточной электроэнергии из новых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия. Нестабильность этих возобновляемых источников энергии означает, что запасы энергии колеблются, что делает натриевые батареи идеальным выбором для хранения избыточной электроэнергии из новых источников энергии.
Перспективы рынка и тенденции развития натриевых аккумуляторов
Поскольку все большее внимание уделяется устойчивому развитию и экологически чистым источникам энергии, рыночные перспективы натриевых батарей расширяются, и они, вероятно, сыграют важную роль в будущих энергетических преобразованиях. Благодаря быстрому развитию областей хранения энергии и электромобилей существует достаточно возможностей для расширения рынка натриевых батарей.
Таким образом, конкуренция за влияние на рынке в области натриевых батарей станет новым полем битвы для глобальных энергетических технологий в ближайшее десятилетие и продолжит оставаться горячей точкой для инвестиций как на первичном, так и на вторичном рынках. По прогнозам EVTank, к 135 году во всей цепочке аккумуляторной промышленности будет сформирована выделенная линия по производству натриевых батарей мощностью 2023 ГВтч, а реальный объем отгрузки натриевых батарей к 347 году прогнозируется на уровне 2030 ГВтч. Исходя из этого расчета, с 2024 года к 2030 году совокупный годовой темп роста поставок натриевых батарей оценивается в 58.1%.
В настоящее время соответствующие технологии в цепочке производства натриевых аккумуляторов все еще находятся на стадии зрелости. На начальном этапе реализации промышленного массового производства натриевых батарей необходимо уделять первоочередное внимание двум аспектам: во-первых, улучшению характеристик батарей, включая повышение плотности энергии и срока службы. Среди всех существующих технологических маршрутов система слоистый оксид-твердый углерод имеет самую высокую плотность энергии и, как ожидается, будет коммерциализирована первой. Ожидается, что низкоэнергетическая плотность как берлинской лазури (белой), так и полианионных маршрутов будет постепенно улучшаться по мере постоянного развития крупных производителей, создавая больше возможностей для катодных материалов натриевых батарей.
Во-вторых, необходимо также снизить затраты на крупномасштабное производство. По сравнению с более зрелыми литиевыми батареями себестоимость производства натриевых батарей пока не выгодна производителям. Однако по мере того, как крупные производители постепенно наращивают объемы производства и на более поздней стадии производства, ожидается, что стоимость натриевых батарей упадет до уровня свинцово-кислотных батарей, что даст им большее конкурентное преимущество.
Заключение
В заключение можно сказать, что натриевые батареи как новое поколение технологий хранения энергии имеют значительную коммерческую ценность и перспективы развития. Благодаря низкой стоимости, повышенной безопасности, длительному сроку службы и экологичности они в настоящее время являются идеальным выбором для тихоходных электромобилей и возобновляемых источников энергии. Ожидается, что рынок натриевых батарей будет продолжать расти, поскольку все большее внимание во всем мире уделяется устойчивому развитию и экологически чистой энергетике. Наконец, поскольку технология продолжает совершенствоваться, натриевые батареи Ожидается, что они найдут более широкое применение в таких областях, как портативные батареи, что демонстрирует еще более широкие перспективы развития.
