새로운 동력전지 시대, 나트륨이온전지의 대두

나트륨 배터리 전기차 시대를 열다

2024년 초, 세계 최초의 나트륨이온 배터리 전기차가 공식적으로 사용자들에게 인도되었습니다. 신형 차는 최대 252㎞ 주행거리를 ​​갖고 3만2140개의 나트륨이온 원통형 배터리를 탑재했다. 세포는 기술적인 경로를 채택합니다"산화물과 같은 구리 기반 경질 탄소", 모노머 용량은 12Ah, 에너지 밀도는 140Wh/킬로그램 이상이며 높은 안전성, 높은 에너지 밀도 및 우수한 저온 성능이라는 장점이 있습니다. 최근 몇 년 동안 닝더 타임스, 나트륨 에너지 및 기타 국내 기업도 나트륨 이온 배터리 산업의 배치를 가속화했으며 현재 소규모 배치 생산 및 성능 평가를 달성했으며 중국에서 나트륨 배터리 트램 개발의 첫 해를 열 것으로 예상됩니다. 24년.

나트륨 이온 대 리튬 이온 배터리

나트륨이온전지는 고유한 장점으로 인해 대규모 상용 응용을 위한 또 다른 이차전지 기술이 될 것으로 기대된다. 리튬 이온 배터리와 비교하여 나트륨 이온은 더 강한 용매화 상호 작용 용량과 더 작은 스톡 반경을 가지므로 저농도 나트륨 이온 전해질 용액이 더 높은 이온 전도도를 달성할 수 있습니다. 나트륨과 리튬은 인접한 원소의 동일한 주족에 속하기 때문에 화학적 성질의 유사성이 높으므로 나트륨 이온 배터리의 작동 원리는 리튬 이온 배터리의 작동 원리와 유사합니다."흔들 의자"기구. 나트륨 이온 배터리는 양극, 음극, 격막, 전해질 및 유체 수집기로 구성됩니다. 충전 및 방전 과정은 양극 재료와 음극 재료 사이에 나트륨 이온을 가역적으로 삽입 및 제거하여 구현됩니다. 충전 과정에서 나트륨 이온이 양극에서 제거되고 음극에 매립되어 NA가 부족한 양극과 Na가 풍부한 음극이 형성됩니다. 방전 과정에서는 나트륨 이온이 음극에서 양극으로 역으로 매립되어 충전과 방전의 균형을 이룹니다. 전자는 외부 회로로 이동하여 나트륨 이온 이동과 전하 균형을 유지합니다. 나트륨이온전지의 특성상 리튬이온전지 제조장비와 호환이 가능해 산업화 난이도가 낮고 향후 시장 전망도 넓다.

에너지 밀도 측면에서 나트륨 이온 배터리의 셀은 일반적으로 105~150wh/킬로그램 범위에 있습니다. 리튬 이온 배터리 셀의 에너지 밀도는 일반적으로 190wh/kg을 초과하며, 니 함량이 높은 일부 삼원계 시스템은 230wh/kg을 초과하기도 합니다. 현재의 나트륨 이온 배터리는 아직 삼원계 리튬 배터리와 비교할 수 없지만 인산 철 리튬 배터리 120-200wh/킬로그램 및 납축 배터리 35-45wh/kg과 비교하면 나트륨 이온 배터리는 확실한 경쟁력을 가지고 있습니다. . 작동 온도 범위와 안전성 측면에서 나트륨 이온 배터리는 분명한 장점을 가지고 있습니다. 작동 온도 범위는 -40℃~80℃인 반면, 삼원계 리튬 이온 배터리의 작동 범위는 일반적으로 -20℃~60℃입니다. 0°C 미만의 환경에서는 리튬 배터리의 성능이 영향을 받습니다. 이에 비해 나트륨 이온 배터리는 -20°C에서도 여전히 80% 이상의 SOC 유지율을 달성할 수 있습니다. 또한 나트륨 이온 배터리는 내부 저항이 크기 때문에 쉽게 가열되지 않으므로 더 높은 안전성을 나타냅니다. 열 폭주 측면에서. 충전 속도 측면에서도 나트륨이온 배터리는 단 10분 만에 완전 충전이 가능하다. 삼원리튬 배터리는 최소 40분, 리튬인산철 배터리는 45분이 소요된다. 전반적으로 에너지 밀도가 리튬 이온 배터리와 경쟁할 수는 없지만 나트륨 이온 배터리는 저온 안정성과 충전 속도 측면에서 현재 신에너지 자동차의 두 가지 주요 문제점을 잘 해결할 수 있으며 여전히 고려되는 선택 중 하나입니다. 주요 자동차 회사.

나트륨 이온 배터리용 층상 산화물 기술 경로에 대한 간략한 분석

음극재 - 층상 전이금속 산화물

나트륨 이온 층상 전이 금속 산화물은 일반적으로 NaxMO2로 표현되며, 여기서 M은 망, 니, 구리, 철, 공동 등과 같은 전이 금속 원소입니다. 연구에 따르면 NaxMO2의 배열은 O형과 O형으로 나눌 수 있습니다. P형이며 그 구조도는 다음과 같다. 이러한 전이금속 산화물의 층상 구조는 나트륨 이온 임베딩 및 디임베딩을 위한 채널을 제공할 뿐만 아니라 MO6 팔면체 구조를 활용하여 전체 구조의 안정성을 향상시킵니다. 따라서 이 소재는 전기화학적 성능이 뛰어나 현재 나트륨이온전지용 양극소재의 주류로 자리잡고 있다. 동시에 이 소재는 전해질 기술과 높은 상관관계를 갖고 있다.

산화제2동 양극재 CuFeo2는 상온에서 나트륨이온 배터리에 적합합니다. 구리를 기반으로 한 이 소재는 220mAh/g의 가역 용량을 나타내며, 전기화학 반응 메커니즘은 주로 Cu2 /구리 의 산화 환원 반응을 포함합니다. CuFeo2의 작동 전압은 2.4V에 도달할 수 있으며 사이클 안정성이 좋습니다. 이 소재는 가격이 저렴하고 성능이 뛰어나며 친환경적이라는 특징을 갖고 있어 확실한 전망을 보여주고 있습니다.

음극재 - 탄소계 소재

나트륨이온전지용 음극재에는 탄소계 소재, 티타늄계 소재, 합금 소재, 유기 소재 등 다양한 종류가 있다. 그 중 탄소 기반 소재는 가용성과 저렴한 비용으로 인해 가장 유망한 후보 소재로 간주됩니다. 탄소계 소재는 크게 결정질 탄소와 비정질 탄소 두 가지로 나뉘며, 결정질 탄소는 주로 천연 흑연과 인조 흑연으로 리튬이온 배터리의 주요 음극 소재다. 그러나 흑연을 나트륨 이온 전지의 음극으로 사용하는 경우 나트륨 이온의 매립이 불가능하여 실제 응용 요구를 충족시키기에는 비용량이 너무 낮습니다. 비정질 탄소재료에는 주로 하드카본(딱딱한 탄소)과 소프트카본(부드러운 탄소)이 있습니다. 하드 카본은 높은 초기 방전 용량, 우수한 속도 성능 및 구조적 안정성을 나타내며 우수한 전기 화학적 성능 이점을 가지며 현재 음극 재료의 첫 번째 선택입니다. 소프트 카본은 가격이 저렴하고 전기화학적 활성이 높으며 높은 가역 용량을 제공할 수 있지만 비용량이 낮아 부피 팽창 문제를 해결해야 합니다. 풍부한 자원, 저렴한 비용, 구조적 다양성 및 우수한 전기화학적 성능이라는 포괄적인 장점으로 인해 비정질 탄소 재료는 일반적으로 업계에서 나트륨 이온 배터리의 가장 유망한 양극 재료 중 하나로 간주됩니다. 

경질 탄소는 다양한 전구체 시스템으로 제조될 수 있으며, 전구체의 차이는 최종 경질 탄소의 미세한 형태와 결함 정도에 영향을 미치고 전기화학적 성능에도 영향을 미칩니다.

전해질

양극 및 음극 재료 외에도 전해질도 필수적인 반응 매체입니다. 나트륨 이온 배터리 전해질은 주로 나트륨 염, 용매 및 첨가제의 세 부분으로 구성됩니다. 나트륨염은 전해질의 핵심 역할을 하며, 배터리의 충방전 성능과 수명에 직접적인 영향을 미친다. 전지의 안정적인 작동을 유지하기 위해서는 나트륨염이 전기화학적 안정성이 좋아야 하며, 전극재료와 부반응이 없어야 한다. 이상적으로 나트륨 염은 선택한 용매 시스템에 완전히 용해되고 전기화학적 활성 나트륨 이온을 생성하여 전해질 내에서 자유롭게 이동하고 가역적 반응을 위해 전극 표면에 신속하게 도달할 수 있어야 합니다. 또한, 고품질 나트륨염은 배터리의 다른 성분과의 부반응도 최소화하여 배터리의 안전성을 높여야 합니다.

향후 발전 전망

비용 측면에서 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 장점이 있지만 에너지 밀도에는 명백한 결함이 있으며 현재 배터리 수명 요구 사항이 낮고 비용 민감도가 높은 소형 소형 차량에 주로 탑재됩니다. 최근 몇 년간 신에너지 자동차의 폭발적인 발전으로 인해 리튬이온 자원은 점점 부족해지고 있으며, 나트륨이온 배터리 기술은 황금발전기를 맞이할 것으로 예상됩니다. 재료, 전기화학적 성능, 안전성 등의 지속적인 혁신으로 나트륨이온 배터리의 산업화도 가속화되고 있으며, 현재의 소형 및 초소형 전기 자동차와 함께 미래에는 플러그인 하이브리드도 진행될 것으로 예상됩니다. 차량의 경우 차량 가격이 더욱 인하될 예정입니다.