עלייתן של סוללות נתרן-יון בעידן חדש של סוללות כוח
מכניסה את עידן המכוניות החשמליות עם סוללת נתרן
בתחילת 2024, הרכב החשמלי הראשון בעולם עם סוללת נתרן-יון נמסר רשמית למשתמשים. למכונית החדשה טווח נסיעה של עד 252 קילומטרים והיא מצוידת ב-32,140 סוללות גליליות יון נתרן. התא מאמץ את המסלול הטכני של"בסיס נחושת כמו תחמוצת פחמן קשה", קיבולת המונומר היא 12Ah, צפיפות האנרגיה היא יותר מ-140Wh/ק"ג, ויש לו את היתרונות של בטיחות גבוהה, צפיפות אנרגיה גבוהה וביצועים טובים בטמפרטורה נמוכה. בשנים האחרונות, כולל נינגדה פִּי, נתרן אנרג'י ומפעלים מקומיים אחרים האיצו גם את הפריסה של תעשיית סוללות נתרן יון, השיגה כעת ייצור אצווה קטנה והערכת ביצועים, צפויה לפתוח את השנה הראשונה לפיתוח של חשמלית סוללת נתרן ב 24 שנים.
סוללת יון נתרן לעומת ליתיום-יון
סוללות נתרן-יון צפויות להפוך לטכנולוגיית סוללה משנית נוספת עבור יישומים מסחריים בקנה מידה גדול בגלל היתרונות הייחודיים שלהן. בהשוואה לסוללות ליתיום-יון, ליוני נתרן יכולת אינטראקציית פתרון חזקה יותר ורדיוס סטיקס קטן יותר, מה שמאפשר לתמיסות אלקטרוליט יון נתרן בריכוז נמוך להשיג מוליכות יונית גבוהה יותר. מכיוון שנתרן וליתיום שייכים לאותה קבוצה עיקרית של יסודות סמוכים, לשניהם יש דמיון גבוה בתכונות הכימיות, ולכן עקרון הפעולה של סוללות נתרן-יון דומה לזה של סוללות ליתיום-יון, העוקבות אחר"כסא נדנדה"מַנגָנוֹן. סוללת יוני הנתרן מורכבת מאלקטרודה חיובית, אלקטרודה שלילית, דיאפרגמה, אלקטרוליט וקולט נוזלים. תהליך הטעינה והפריקה ממומש על ידי הטבעה והטמעה הפיכה של יון נתרן בין חומרי האלקטרודה החיוביים והשליליים. בתהליך הטעינה מוציאים יוני נתרן מהאלקטרודה החיובית ומוטבעים באלקטרודה השלילית ליצירת אלקטרודה חיובית עני NA ואלקטרודה שלילית עשירה ב-לא. בתהליך הפריקה, יוני נתרן מוטבעים הפוך באלקטרודה החיובית מהאלקטרודה השלילית כדי להשיג איזון מטען ופריקה. אלקטרונים מועברים במעגל החיצוני, תוך שמירה על איזון מטען עם נדידת יוני נתרן. בשל המאפיינים של סוללות נתרן-יון, הן תואמות לציוד לייצור סוללות ליתיום-יון, אשר פחות קשה לתיעוש ויש לו סיכויי שוק רחבים בעתיד.
מבחינת צפיפות האנרגיה, התא של סוללת נתרן-יון הוא בדרך כלל בטווח של 105-150Wh/ק"ג. צפיפות האנרגיה של תאי סוללת ליתיום-יון עולה בדרך כלל על 190 ו"ש/ק"ג, וכמה מערכות משולשות עם תכולת ני גבוהות אפילו עולה על 230 ו"ש/ק"ג. אמנם עדיין לא ניתן להשוות את סוללת הנתרן-יון הנוכחית לסוללת הליתיום המשולשת, אך בהשוואה לסוללת ליתיום ברזל פוספט 120-200wh/ק"ג וסוללת חומצת עופרת 35-45wh/ק"ג, לסוללת נתרן-יון יש תחרותיות מסוימת . מבחינת טווח טמפרטורות הפעלה ובטיחות, לסוללות נתרן-יון יש יתרונות ברורים. טווח טמפרטורת הפעולה שלו הוא -40℃-80℃, בעוד שטווח הפעולה של סוללות ליתיום-יון טרינריות הוא בדרך כלל -20℃ ~ 60℃. בסביבה מתחת ל-0 ° C, הביצועים של סוללות ליתיום יושפעו. לעומת זאת, סוללות נתרן-יון עדיין יכולות להשיג יותר מ-80% שימור SOC ב-20° C. בנוסף, בשל ההתנגדות הפנימית הגדולה של סוללות נתרן-יון, הן לא קלות לחימום, ולכן הן מציגות בטיחות גבוהה יותר מבחינת בריחה תרמית. מבחינת מהירות הטעינה, ניתן לטעון את סוללות הנתרן-יון במלואן תוך 10 דקות בלבד, לעומת 40 דקות לפחות עבור סוללות ליתיום טרינריות ו-45 דקות עבור ליתיום ברזל פוספט. בסך הכל, למרות שצפיפות האנרגיה אינה יכולה להתחרות בסוללות ליתיום-יון, סוללות נתרן-יון יכולות בהחלט לפתור את שתי נקודות הכאב העיקריות של רכבי אנרגיה חדשים במונחים של יציבות טמפרטורות נמוכות ומהירות טעינה, והן עדיין אחת מהאפשרויות הנחשבות על ידי חברות הרכב הגדולות.
ניתוח קצר של המסלול הטכני של תחמוצת שכבות עבור סוללות נתרן יוני
חומר קתודה - תחמוצת מתכת מעבר בשכבות
תחמוצות מתכת מעבר בשכבות נתרן-יון מתבטאות בדרך כלל כ-NaxMO2, כאשר M הוא יסוד מתכת מעבר כגון Mn, ני, Cu, Fe, שיתוף וכו'. המחקר מראה שניתן לחלק את הסידור של NaxMO2 לסוג O ו- P-סוּג, ותרשים המבנה שלו הוא כדלקמן. המבנה השכבתי של תחמוצת מתכת המעבר הזו לא רק מספק תעלות להטמעת יוני נתרן והטבעה, אלא גם משפר את היציבות של המבנה הכולל על ידי שימוש במבנה האוקטהדרלי MO6. לכן, לחומר ביצועים אלקטרוכימיים מצוינים והוא כיום חומר האלקטרודה החיובית המיינסטרים עבור סוללות יון נתרן. יחד עם זאת, לחומר יש מתאם גבוה עם טכנולוגיית האלקטרוליטים.
חומר הקתודה של תחמוצת הקופריס CuFeo2 מתאים לסוללות נתרן-יון בטמפרטורת החדר. על בסיס נחושת, החומר מציג קיבולת הפיכה של 220 mAh/g, ומנגנון התגובה האלקטרוכימית שלו כולל בעיקר את תגובת REDOX של Cu2 /Cu . מתח העבודה של CuFeo2 יכול להגיע ל-2.4V, ויש לו יציבות מחזורית טובה. לחומר זה יש את המאפיינים של עלות נמוכה, ביצועים מצוינים וידידותיות לסביבה, והוא הראה סיכוי מסוים.
חומר אלקטרודה שלילית - חומר על בסיס פחמן
ישנם סוגים רבים של חומרי אנודה לסוללות יון נתרן, כולל חומרים מבוססי פחמן, חומרים מבוססי טיטניום, חומרי סגסוגת וחומרים אורגניים. ביניהם, חומרים מבוססי פחמן נחשבים לחומרים המועמדים המבטיחים ביותר בשל זמינותם ועלותם הנמוכה. חומרים מבוססי פחמן מתחלקים בעיקר לשתי קטגוריות: פחמן גבישי ופחמן אמורפי, פחמן גבישי בעיקר גרפיט טבעי וגרפיט מלאכותי, שהם חומרי האלקטרודה השליליים העיקריים לסוללות ליתיום-יון. עם זאת, כאשר גרפיט משמש כאלקטרודה השלילית של סוללת יוני הנתרן, לא ניתן להשיג הטבעה של יוני נתרן, וכתוצאה מכך קיבולת ספציפית נמוכה מדי כדי לענות על הצרכים של יישומים מעשיים. חומרי פחמן אמורפי כוללים בעיקר פחמן קשה ופחמן רך. פחמן קשיח מציג יכולת פריקה ראשונית גבוהה, ביצועי קצב טובים ויציבות מבנית, ויש לו יתרונות ביצועים אלקטרוכימיים טובים, והוא כיום הבחירה הראשונה של חומרי אלקטרודה שליליים. למרות שלפחמן רך יש עלות נמוכה, פעילות אלקטרוכימית גבוהה, והוא יכול לספק קיבולת הפיכה גבוהה, הקיבולת הספציפית שלו נמוכה, ויש לפתור את בעיית הרחבת הנפח. בשל היתרונות המקיפים של משאבים בשפע, עלות נמוכה, גיוון מבני וביצועים אלקטרוכימיים מצוינים, חומרי פחמן אמורפי נחשבים בדרך כלל לאחד מחומרי האנודה המבטיחים ביותר עבור סוללות נתרן יוני בתעשייה.
ניתן להכין פחמן קשיח על ידי מגוון מערכות מבשר, וההבדל בין המבשר ישפיע על המורפולוגיה המיקרוסקופית ודרגת הפגם של הפחמן הקשיח הסופי, ולאחר מכן ישפיע על הביצועים האלקטרוכימיים שלו.
אלקטרוליט
בנוסף לחומרי אלקטרודה חיוביים ושליליים, אלקטרוליט הוא גם מדיום תגובה חיוני. האלקטרוליט של סוללת נתרן יון מורכב בעיקר משלושה חלקים: מלח נתרן, ממס ותוסף. מלח נתרן ממלא תפקיד מפתח באלקטרוליט, אשר משפיע ישירות על ביצועי טעינה-פריקה וחיי הסוללה. על מנת לשמור על פעולתה היציבה של הסוללה, מלח הנתרן חייב להיות בעל יציבות אלקטרוכימית טובה ואינו יכול לקבל תגובות לוואי עם חומר האלקטרודה. באופן אידיאלי, מלחי נתרן צריכים להיות מסוגלים להתמוסס לחלוטין במערכת הממס שנבחרה וליצור יוני נתרן פעילים מבחינה אלקטרוכימית, כך שהם יכולים לנדוד בחופשיות באלקטרוליט ולהגיע במהירות אל פני האלקטרודה לתגובות הפיכות. בנוסף, מלח נתרן איכותי אמור גם למזער תגובות לוואי עם רכיבי סוללה אחרים כדי לשפר את בטיחות הסוללה.
סיכוי פיתוח עתידי
למרות שמבחינת עלות, לסוללות נתרן-יון יש יתרונות בהשוואה לסוללות ליתיום-יון, ישנם ליקויים ברורים בצפיפות האנרגיה, והם נישאים כיום בעיקר על רכבי מיני קטנים עם דרישות חיי סוללה נמוכות ורגישות לעלות גבוהה. עם הפיתוח הנפיץ של רכבי אנרגיה חדשים בשנים האחרונות, משאבי הליתיום-יון מועטים יותר ויותר, וניתן לחזות שטכנולוגיית סוללות הנתרן-יון תפתח תקופת פיתוח מוזהבת. עם פריצת הדרך המתמשכת בחומרים, ביצועים אלקטרוכימיים, בטיחות והיבטים נוספים, גם תיעוש סוללות הנתרן-יון מואץ, בנוסף לרכבים הקטנים והמיקרו חשמליים הנוכחיים, העתיד צפוי להינשא גם בהיברידית פלאג-אין כלי רכב, מחיר הרכב יירד עוד יותר.
