การวิจัยอุตสาหกรรมแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

การวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซเดียมสามารถย้อนไปถึงปี 1970 ซึ่งเร็วกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อกำหนดสำหรับแบตเตอรี่ในผู้บริโภคและแหล่งพลังงานในทศวรรษที่ 1990 มุ่งเน้นไปที่ความหนาแน่นของพลังงานสูงและอายุการใช้งาน และวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบ เช่น คาร์บอนอ่อนและกราไฟต์มีประสิทธิภาพการแทรกสอดของลิเธียมที่ดีและมีความสามารถในการแทรกสอดของโซเดียมที่อ่อนแอ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเข้าสู่อุตสาหกรรมเร็วกว่า เมื่อเข้าสู่อุตสาหกรรมการพัฒนาแบตเตอรี่โซเดียมไอออนก็เงียบไปชั่วขณะ

วันนี้ด้วยความร้อนอย่างต่อเนื่องของรางแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนราคาของลิเธียมคาร์บอเนตจึงเพิ่มขึ้นและเกลือโซเดียมที่มีปริมาณสำรองมากมายก็ได้รับความสนใจอีกครั้ง อย่างไรก็ตาม ต้นทุนของแบตโซเดียมไอออนยังคงสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมเนื่องจากการใช้งานที่จำกัดเนื่องจากเพดานความหนาแน่นของพลังงานต่ำ กระบวนการผลิตและอุปกรณ์การผลิตที่ยังไม่บรรลุนิติภาวะ บทความนี้จะแนะนำว่าแบตเตอรี่โซเดียมไอออนคืออะไร ห่วงโซ่อุตสาหกรรมของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน และแนวโน้มการพัฒนาเป็นอย่างไร

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนคืออะไร

แบตเตอรี่โซเดียมไอออน (Sodium-ion battery เรียกสั้นๆ ว่า NIB) เป็นเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานหมุนเวียนประเภทใหม่ ซึ่งได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในบริบทของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ถูกจำกัดด้วยทรัพยากรวัสดุ เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแล้ว แบตเตอรี่โซเดียมไอออนมีข้อดีหลายประการ เช่น มีทรัพยากรโซเดียมเพียงพอ ราคาต่ำ และสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้

หลักการทำงาน

คล้ายกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ส่วนใหญ่อาศัยไอออนของโซเดียมในการเคลื่อนตัวระหว่างขั้วบวกและขั้วลบในการทำงาน: เมื่อทำการชาร์จ โซเดียมไอออนจะถูกแยกออกจากขั้วบวก ว่ายผ่านตัวแยกในอิเล็กโทรไลต์และฝังอยู่ในขั้วลบ อิเล็กโทรดและอิเล็กโทรดลบอยู่ในสถานะที่อุดมด้วยโซเดียม เมื่อคายประจุ ตรงกันข้าม

ข้อได้เปรียบหลัก

ไม่จำกัดด้วยทรัพยากร แตกต่างจากแหล่งลิเทียม โซเดียมสำรองในเปลือกโลกอยู่ในอันดับที่ 6 ของธาตุทั้งหมด ทรัพยากรโซเดียมของจีนมีมากมายและกระจายอยู่ทั่วไป มีปริมาณสำรองมหาศาลในมหาสมุทรและทะเลสาบน้ำเค็ม ดังนั้นจึงสามารถบรรเทาผลกระทบของการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมที่เกิดจากทรัพยากรลิเธียมขาดแคลนได้

โซเดียมไอออนนั้นคล้ายคลึงกับแบตเตอรี่ลิเธียมด้วยการเปลี่ยนแปลงทางเทคนิคทำให้สายการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถใช้ในการผลิตแบตเตอรี่โซเดียมไอออนได้ซึ่งช่วยลดการลงทุนในอุปกรณ์สายการผลิต

ต้นทุนวัตถุดิบต่ำ วัสดุขั้วบวกส่วนใหญ่เป็นองค์ประกอบที่อุดมด้วยทรัพยากร เช่น โซเดียม เหล็ก แมงกานีส ทองแดง และกำมะถัน วัสดุขั้วลบส่วนใหญ่เป็นวัตถุดิบชีวมวลหรือสารตั้งต้นจากถ่านหิน และวัสดุขั้วลบไม่จำเป็นต้องทำกราฟิตี และต้นทุนการผลิตจะต่ำกว่าขั้วลบกราไฟท์ อลูมิเนียมฟอยล์ราคาไม่แพงสามารถใช้กับตัวสะสมกระแสบวกและลบของแบตเตอรี่โซเดียมได้ และต้นทุนยังต่ำกว่าฟอยล์ทองแดงที่จำเป็นสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอีกด้วย

ประเภทของแบตเตอรี่

การจำแนกประเภทโครงสร้างส่วนใหญ่รวมถึงแบตเตอรี่แบบกระเป๋าและแบตเตอรี่ทรงกระบอก การจำแนกระบบวัสดุประกอบด้วยแบตเตอรี่โซลิดสเตตโซเดียมไอออน แบตเตอรี่โซเดียมซัลเฟอร์ แบตเตอรี่โซเดียมไอออนอุณหภูมิห้อง แบตเตอรี่ zebra เป็นต้น

กระบวนการผลิต

หลักกระบวนการผลิตของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนและแบตเตอรี่ลิเธียมมีความทับซ้อนกันอย่างมาก ขั้นตอนแรกคือกระบวนการเยื่อกระดาษ นั่นคือการเติมสารนำไฟฟ้า สารยึดเกาะ และวัสดุอื่น ๆ เพื่อทำสารละลาย ขั้นตอนที่สองคือการเคลือบ สารละลายที่เตรียมในขั้นตอนแรกจะถูกเคลือบอย่างสม่ำเสมอบนตัวสะสมกระแสด้วยความหนาที่กำหนด และ ตัวทำละลายถูกทำให้แห้ง

ขั้นตอนที่สามคือการกดด้วยลูกกลิ้ง ซึ่งบีบอัดและขึ้นรูปวัสดุ ตามด้วยการไดคัท จากนั้นจึงคดเคี้ยวหรือเคลือบตามเส้นทางทางเทคนิค ขั้นตอนที่สี่คือการประกอบ จากนั้นบรรจุภัณฑ์ (การเชื่อมด้วยเลเซอร์หรือแผ่นปิด ) สำหรับการอบแห้ง

สถานการณ์ห่วงโซ่อุตสาหกรรมแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

ต้นน้ำของห่วงโซ่อุตสาหกรรมแบตเตอรี่โซเดียมไอออนโดยทั่วไปประกอบด้วยวัสดุขั้วบวก วัสดุขั้วลบ อิเล็กโทรไลต์ และไดอะแฟรม ฯลฯ ส่วนตรงกลางถึงส่วนใหญ่รวมถึงแบตเตอรี่แบบซอฟต์แพ็คและแบตเตอรี่ทรงกระบอกในแง่ของโครงสร้างเซลล์ และรวมถึงของแข็ง- สถานะของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนและแบตเตอรี่โซเดียม-ซัลเฟอร์

ในแง่ของระบบวัสดุ แบตโซเดียมไอออนที่อุณหภูมิห้อง แบตเตอรี่ zebra ฯลฯ จากมุมมองของการใช้งานต่อเนื่อง แบตเตอรี่ โซเดียมไอออนมีแนวโน้มการใช้งานที่ดีในพลังงานใหม่ที่ใช้พลังงานต่ำ ยานพาหนะที่มีความเร็ว ที่เก็บพลังงานขนาดใหญ่ และเครื่องจักรก่อสร้าง

ต้นน้ำของห่วงโซ่อุตสาหกรรม

● วัสดุขั้วบวก ในปัจจุบัน วัสดุขั้วบวกทางเลือกสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนส่วนใหญ่ประกอบด้วย: ออกไซด์ของโลหะทรานซิชัน สารประกอบสีน้ำเงิน/สีขาวของปรัสเซียน และสารประกอบโพลิเอเนียน

โครงสร้างของวัสดุเลเยอร์ออกไซด์นั้นคล้ายคลึงกับวัสดุไตรภาคของแบตเตอรี่ลิเธียม และกระบวนการผลิตของทั้งสองก็คล้ายกันด้วย อย่างไรก็ตาม ทางเลือกของธาตุโลหะทรานซิชันสำหรับขั้วบวกของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนนั้นกว้างกว่า ตั้งแต่ Ti ต่อเนื่องไปจนถึง Cu (Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu) ในตารางธาตุสามารถใช้เป็นชั้นออกไซด์สำหรับแบตโซเดียมไอออน

ส่วนประกอบหลักของ Mn Fe Cu และองค์ประกอบอื่นๆ มีปริมาณสำรองมากมายและมีราคาต่ำ วัสดุขั้วบวกออกไซด์แบบเลเยอร์มีความหนาแน่นของพลังงานสูง (130-160mAh/g, 230-250Wh/L) แพลตฟอร์มไฟฟ้าแรงสูง (3.0-3.1V) ประสิทธิภาพอัตราที่ดีและประสิทธิภาพที่ครอบคลุมดีเยี่ยม ในขณะเดียวกัน กระบวนการสังเคราะห์ก็เรียบง่าย ซึ่งส่วนใหญ่เป็นวิธีการเผาผนึกในเฟสของแข็ง และมีธาตุโลหะทรานซิชันให้เลือกมากมาย

นอกจากนี้ โครงสร้างยังคล้ายกับวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ดังนั้นจึงเป็นเส้นทางกระบวนการหลักที่บริษัทแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนเลือกใช้ในปัจจุบัน ท่ามกลางเส้นทางเทคโนโลยีที่หลากหลาย การทำให้เป็นอุตสาหกรรมของชั้นออกไซด์มีความคืบหน้าเร็วที่สุด และบริษัทตัวแทน ได้แก่ CATL HiNa Battery Natrium Energy Faradion Li-Fun Technology บริษัทอื่นๆ

● วัสดุขั้วลบ ตัวเลือกหลักของวัสดุขั้วลบสำหรับแบตโซเดียมไอออน ได้แก่ คาร์บอนแข็งและคาร์บอนอ่อน ในหมู่พวกเขา ต้นทุนของคาร์บอนอ่อนต่ำ แต่เนื่องจากโครงสร้างแบบกราไฟท์ ความจุในการเก็บโซเดียมจึงต่ำ แม้ว่าความจุจะเพิ่มขึ้นผ่านกระบวนการสร้างรูพรุน แต่จะเพิ่มต้นทุน ค่าการนำไฟฟ้านั้นแข็งแกร่งและ ประสิทธิภาพของวงจรสูงดังนั้นคาร์บอนอ่อนจึงสามารถใช้วัสดุร่วมกับคาร์บอนแข็งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและปรับปรุงประสิทธิภาพที่ครอบคลุมของขั้วลบคาร์บอนแข็ง

วัสดุคาร์บอนแข็งเก็บโซเดียมไว้ในตำแหน่งและรูปแบบต่างๆ ทำให้ขั้วลบสามารถชาร์จได้เร็วขึ้น แก้ปัญหาด้านความปลอดภัยของการคายประจุเกิน และเปิดการใช้งานแบตเตอรี่โซเดียมให้กว้างขึ้น โดยมีความจุตามทฤษฎีที่ 350-400mAh/g คาร์บอนแข็งยังมีปัญหามากมาย เช่น ประสิทธิภาพคูลอมบิกเริ่มต้นต่ำ อายุวงจรสั้น และความสม่ำเสมอของโครงสร้าง ดังนั้น การเลือกสารตั้งต้นของคาร์บอนแข็งและกระบวนการเตรียมจำเป็นต้องมีนวัตกรรมและความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมไฟฟ้าโซเดียมในอนาคต

แม้ว่าจะมีหลายบริษัทที่วางเส้นทางฮาร์ดคาร์บอนแอโนดแต่จากมุมมองของฝั่งอุปทาน บริษัทส่วนใหญ่ยังไม่ได้ผลิตฮาร์ดคาร์บอนในปริมาณมากอย่างเต็มที่ และยังคงอยู่ในขั้นทดสอบนำร่องหรือการวิจัยและพัฒนา วัสดุที่เลือกใช้ส่วนใหญ่ ได้แก่ เรซิน แอสฟัลต์ ชีวมวล บริษัทตัวแทนที่ผลิตวัสดุขั้วบวก ได้แก่ Shanshan Putailai Zhongke Electric Xfh Technology BTR HUA YANG เป็นต้น

● อิเล็กโทรไลต์ ตัวละลายของแบตโซเดียมไอออนคือการแทนที่เกลือลิเธียมด้วยเกลือโซเดียม และแทนที่ลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟตด้วยโซเดียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต สารเติมแต่งหลายชนิดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไม่จำเป็นต้องเหมาะกับแบตเตอรี่โซเดียม ในปัจจุบัน หลายบริษัทยังคงใช้ตัวทำละลายเอสเทอร์ เช่น EC PC DMC สำหรับ EMC เป็นต้น

อัตราส่วนการใช้ตัวทำละลายสำหรับระบบวัสดุต่างๆ แตกต่างกัน ที่ระดับสารเติมแต่ง ระบบสารเติมแต่งอเนกประสงค์แบบดั้งเดิมไม่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ ค่าการนำไฟฟ้าโมลาร์ของโซเดียมไอออนสูงขึ้น ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ ต่ำและอัตราสารเติมแต่งและข้อกำหนดต่ำกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม ลดต้นทุน วัสดุส่วนหนึ่ง ในปัจจุบัน บริษัทต่างๆ ที่ค้นคว้าเกี่ยวกับอิเล็กโทรไลต์ของแบตโซเดียมไอออนส่วนใหญ่จะเน้นไปที่ผู้ผลิตอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

● ไดอะแฟรม ไดอะแฟรมของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนสามารถใช้ระบบไดอะแฟรมของแบตเตอรี่ลิเธียมได้ต่อไป การใช้ไดอะแฟรมของแบตเตอรี่ลิเธียมในแบตโซเดียมไอออนโดยตรงจะส่งผลให้ความสามารถในการกักเก็บของเหลวต่ำและส่งผลต่อประสิทธิภาพวงจรของแบตเตอรี่ การเจาะทะลุตัวคั่น ทำให้เกิดการลัดวงจรของแบตเตอรี่ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนดังนั้นข้อกำหนดสำหรับความพรุนของตัวแยกโซเดียมและแบตเตอรี่ลิเธียมจะแตกต่างกัน

ในปัจจุบัน บริษัทตัวแยกได้พัฒนาและผลิตตัวแยกที่เหมาะสมสำหรับแบตโซเดียมไอออนตามคุณลักษณะของโซเดียมไอออนโซเดียมไอออน Yunnan Energy ประสบความสำเร็จในการพัฒนาโครงสร้าง “แซนวิช” ตัวแยกการทำงานสำหรับแบตเตอรี่ไอออน บริษัทตัวแทนที่ผลิตไดอะแฟรมส่วนใหญ่ ได้แก่ Energy New Materials, Senior Technology, Cangzhou MingZhu, Suzhou GREEN POWER, Zhongxing Innovative Material เป็นต้น

● นักสะสม ในปัจจุบัน ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ตัวเก็บกระแสของขั้วบวกคืออะลูมิเนียมฟอยล์ และตัวเก็บกระแสของขั้วลบคือฟอยล์ทองแดง เพื่อหลีกเลี่ยงการผสมอะลูมิเนียมและลิเธียมภายใต้สภาวะที่มีศักยภาพต่ำ ในแบตโซเดียมไอออน

เนื่องจากโซเดียมและอะลูมิเนียมไม่เกิดปฏิกิริยาการผสม จึงสามารถใช้ฟอยล์อะลูมิเนียมกับตัวสะสมกระแสไฟฟ้าทั้งขั้วบวกและขั้วลบ ซึ่งช่วยลดต้นทุนได้ บริษัทตัวแทนที่ผลิตอลูมิเนียมฟอยล์สำหรับแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ ได้แก่ Dingsheng New Materials ,Nanshan Aluminium ,Wanshun New Material

ปลายน้ำของห่วงโซ่อุตสาหกรรม

ตลาดแอพพลิเคชั่นเทอร์มินัลส่วนใหญ่ประกอบด้วยระบบกักเก็บพลังงานและยานยนต์ไฟฟ้าความเร็วต่ำ เนื่องจากแบตเตอรี่โซเดียมไอออนมีความหนาแน่นของพลังงานมาก ประสิทธิภาพอัตราที่ยอดเยี่ยม และข้อได้เปรียบด้านต้นทุนที่สำคัญ แบตเตอรี่เหล่านี้จึงค่อนข้างคุ้มค่าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่พลังงานใหม่ และจะนำไปใช้กับการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่และยานพาหนะความเร็วต่ำในอนาคต

ในหมู่พวกเขา การจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ส่วนใหญ่รวมถึงโรงไฟฟ้าพลังงานลม โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ และการจัดเก็บพลังงานในครัวเรือน การขนส่งความเร็วต่ำส่วนใหญ่รวมถึงยานพาหนะโลจิสติกส์ ยานพาหนะที่ใช้ในการเกษตร ยานพาหนะไฟฟ้า และเรือไฟฟ้า

แนวโน้มการพัฒนาแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

ปัจจุบัน การทำการค้าแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และห่วงโซ่อุตสาหกรรมที่สมบูรณ์และสมบูรณ์ยังไม่ได้ก่อตัวขึ้น ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2565 กระทรวงอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีสารสนเทศของจีนระบุอย่างชัดเจนว่าควรพัฒนาแบตเตอรี่ใหม่ เช่น แบตโซเดียมไอออน เนื่องจากการสนับสนุนนโยบายแห่งชาติของจีน บริษัท วัสดุแบตเตอรี่ลิเธียมและบริษัทเริ่มต้นแบตโซเดียมไอออนจึงได้ปรับใช้การวิจัยและพัฒนาและการผลิตวัสดุแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

ในปี 2562 ห่วงโซ่อุตสาหกรรมโซเดียมไอออนจะดำเนินการปรับปรุงด้วย การวางแผนการผลิตไฟฟ้าโซเดียมและต้นทุนการผลิตวัสดุจะลดลงอย่างมาก คาดว่าประมาณปี 2568 จะมีการสาธิตการใช้งานแบตเตอรี่โซเดียมขนาดใหญ่ในด้านการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้า แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนมีเงื่อนไขสำหรับการใช้งานในด้านการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าผ่านการสาธิตและการตรวจสอบ