Anodefri natrium-faststofbatterier kunne reducere afhængigheden af ​​'lithiumtrekanten'

De mange måder at lave et batteri på

Batteriproducenter fornyer sig konstant i et kapløb om at lave den bedste teknologi. I de senere år er dette blevet drevet af incitamentet til at fange det stadigt voksende el-marked og det begyndende, men endnu hurtigere voksende batterimarked i brugsskala.

Når batterierne er bygget på lithium-ion-teknologi, ser de ud over dette design for at løse problemerne med Li-ion: for dyrt, brug af sjældne metaller, brandrisiko osv.

Kilde: Forskning Gate

Et sådant alternativ er natrium-ion, som anvender natrium i stedet for lithium på bekostning af lavere energitæthed.

Et andet alternativ er solid-state batterier. Ved at fjerne behovet for elektrolytter kan de være tættere og derfor kræve mindre af dem for den samme EV-ydelse. Solid-state batterier bør også være meget hurtigere at oplade.

Andre mere vovede tilgange ændrer ikke blot kemien, men selve batteriets struktur. Navnlig fjerner anodefri batterier helt en del af batteriet.

Forskere søger nu at kombinere disse tilgange, især med den nylige offentliggørelse af et design til verdens første anodefri natrium solid-state batteri.

Anodefrit natrium solid-state batteri

Udgivet i Nature Energy under titlen ”Designprincipper for at muliggøre et anodefrit natrium-solid-state batteri“, forskerne fra University of California og University of Chicago har ikke kun skabt et solid state-batteri, men et, der bruger natrium i stedet for lithium, og endda uden en anode.

Natrium batteri

Natrium er en meget rigelig ion, stort set i ubegrænsede mængder i havet, 1,000 gange mere rigelig på jordskorpen end lithium. Dette gør det til et meget godt alternativ til lithium.

Det er vigtigt, fordi lithium rammer flere begrænsninger på grund af EV-bommen:

• Det er for dyrt, hvilket gør selve elektrificeringen for dyr.
• Dens udvinding er miljøskadelig.
• Produceret kun få steder i verden og for det meste raffineret i Kina, hvilket medfører geopolitiske risici.

Fordi det er så allestedsnærværende og rigeligt, er det meget usandsynligt, at natrium nogensinde vil opleve den prisustabilitet og mangel, som lithium har oplevet i de sidste år.

Problemet er, at natriumbatterier normalt ikke er rigtig tætte nok til at konkurrere med lithium-baserede batterier, bortset fra lavpris-EV-modeller.

Anodefrit batteri

Normalt har et batteri en anode, der lagrer ionerne, mens batteriet oplades. De strømmer derefter tilbage mod katoden, når batteriet frigiver sin energi.

Anodefrie batterier opbevarer i stedet ionerne i en elektrokemisk aflejring af alkalimetal direkte på strømaftageren.

Dette giver mulighed for højere cellespænding, lavere celleomkostninger og øget energitæthed.

Kilde: University of Chicago

Problemet med et anodefrit design er, at strømaftageren har en tendens til at se en aflejring opbygget fra den flydende elektrolyt, hvilket fører til beskadigelse af batteriet.

Solid-state batteri

Solid-state batterier har længe været forventet at være den "endelige" form for batteribaseret energilagring, især til applikationer, der kræver mobilitet med meget høj tæthed.

Fjernelse af elektrolytten reducerer den samlede batterivægt og gør batteriet meget hurtigt at oplade og aflade.

Problemet med disse designs er normalt at have et solidt nok system, da metaller har en tendens til at svulme op under opladning.

Derudover er spørgsmålet om dyrkning af dendritter, der kan skabe genveje (og derfor brand), altid truende i baggrunden, ligesom med lithium-ion-batterier.

Anodefri natrium i fast tilstand

I forbindelse med et anodefrit design er et yderligere problem, at en klassisk fast elektrolyt ikke kan interagere korrekt med strømaftageren.

Forskerne løste dette problem ved at bruge aluminiumspulver som strømaftager, som er et fast stof, der kan flyde som en væske.

Kilde: University of Chicago

Mange fordele

Ved at være solid forhindrer aluminiumelektrolytten også dannelsen af ​​dendritter, hovedårsagen til for kort levetid for solid-state batterier.

Det giver også en stabil grænseflade og undgår at se noget af det natrium, der er utilgængeligt for strømmen, hvilket ville reducere batterikapaciteten.

Endelig giver det mulighed for høj energitæthed, med de forskellige muligheder for dette natrium-solid-state batteri, der alle spænder i 200-400Wh/kg tæthed.

Kilde: University of Chicago

Selvom dette er en smule lavere end lithium-baserede solid-state batterier, er det stadig meget stærkere end aktuelt brugte batterier. Kombineret med økonomien ved meget billigere materialer, hvor natrium og aluminium erstatter lithium, kobolt og nikkel, kunne det være en vindende kombination.

Kombinationens kraft

Selv for få år siden var ideen om natriumbatterier, eller anodefri batterier, kun et koncept, som mange tvivlede på ville nå et kommercielt stadium. Det samme kan siges om solid-state batterier.

Dette ændrer sig hurtigt for hver af disse kategorier, såvel som for masser af andre potentielle kemier og designs, vi udforskede i vores artikler "Fremtiden for energilagring – Batterier i brugsskala Tech"Og"Fremtiden for mobilitet – Battery Tech".

Det ser ud til, at vi går ind i en ny fase, hvor forskere nu ser på alle disse nu gennemprøvede batterikoncepter og begynder at flette dem sammen.

Overraskende nok kan det hjælpe med at overvinde de individuelle begrænsninger ved hver idé.

I dette eksempel løses både solid-state batteriers dendritproblemer og anodefri designs problem med aflejring på strømaftageren ved at bruge aluminiumspulver.

Aluminiumspulver alene på et anodefrit design ville stadig give for lav densitet.

Aluminiumspulver i solid-state batterier ville ikke være billigt nok uden at bruge natrium.

I mellemtiden er natrium alene billigt, men ikke tæt nok til at opfylde kravet om mobilitet.

Så det ser ud til, at en kombination af forskellige designelementer kan hjælpe med at samle deres respektive fordele og samtidig fjerne eller i det mindste dæmpe deres individuelle problemer, hvilket skaber et meget større sæt fremtidige muligheder for innovative batterikemier end tidligere antaget.

Natriumbatterivirksomheder

1. CATL

CATL er den globale leder inden for batteriproduktion og producerer mere end halvdelen af ​​den globale batterivolumen. Virksomheden er til stede på hvert trin i batteriproduktionsforsyningskæden og er førende inden for batteriteknologi.

Dette gælder for lithium-ion-batterier, hvor virksomheden i lang tid har været en veletableret leder. CATL har også annonceret imponerende fremskridt på flere andre batterityper:

• Et batteri med 12,000 cyklusser med ultralang levetid til energilagring i brugsskala, med 18,000 cyklusser som et langsigtet mål.
• Et 700 km LFP (Lithium Ferrum Phosphate) batteri, der oplader 400 km rækkevidde på 10 minutter.
• En 500 Wh/kg, der potentielt muliggør elektrificering af passagerfly.
• Masseproduktion af 160 Wh/kg natrium-ion-batterier, med et mål på 200 Wh/kg.

Kilde: CATL

Virksomheden bliver aktiv på markedet for batterier i brugsskala, med meddelelsen om dets TENER-systemydelse. Det er "verdens første masseproducerbare energilagringssystem med nul nedbrydning i de første fem års brug i Beijing, Kina".

Enorm energi i et kompakt rum: 20 fods container med 6.25 MWh kapacitet

Drevet af banebrydende teknologier og ekstreme produktionskapaciteter har CATL løst udfordringerne forårsaget af højaktive lithiummetaller i nul-nedbrydningsbatterier, som effektivt hjælper med at forhindre termisk løbegang forårsaget af oxidationsreaktioner.

CATL har også investeret 3.25 mia. i batterigenbrugskapacitet i Kina. CATL har især opnået en bemærkelsesværdig inddrivelsesrate på 99.6% for nikkel, kobolt, mangan og 91% for lithium.

Takket være dens skala, fokus og R&D-resultater vil CATL sandsynligvis være på forkant med batteriinnovation, -produktion og -genbrug. Dette gør den til en nøglepartner for elbilproducenter, herunder Tesla, NIO, Ford, Stellantis osv.

2. BYD

BYD har længe været en udfordrer af Tesla på el-markedet og er blevet en seriøs konkurrent, ikke kun for Tesla, men for stort set alle bilproducenter.

Virksomheden udviklede sig fra sin oprindelse som leverandør af telefonbatterier at sælge næsten lige så mange elbiler som Tesla i Kina (verdens største marked for elbiler) og være den bedst sælgende elbil i Thailand, Sverige, Australien, New Zealand, Singapore, Israel og Brasilien.

BYD er en stor del af grunden til, at Kina pludselig blev verdens største bileksportør i 2023 og dermed overhalede Japan. Virksomhedens aggressive ekspansion i udlandet bæres også af nye fabrikker, ligesom i Ungarn.

Og med frigivelsen af ​​$10,000-$12,000 biler som Seagul, der bruger natriumbatterier, kan et helt nyt marked åbne sig for BYD EV'er.

Kilde: Af User3204 – Eget arbejde, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Stadig i sin kerne, en batteriproducent, er BYD en seriøs udfordrer til CATL på LFP-batterimarkedet med en markedsandel på 41.1 % i Kina (sammenlignet med CATLs 33.9 %).

"Overfloden" af billige elbiler produceret af BYD på de europæiske og amerikanske markeder vil sandsynligvis blive mødt med en vis grad af protektionisme (selv ud over de nyligt indførte toldsatser), hvilket kan hæmme BYDs vækst.

Men på samme tid er billige kinesiske elbiler allerede en stor succes i resten af ​​verden, som ikke har ret meget i vejen for indenlandske bilproducenter at beskytte, herunder hele Sydamerika, Rusland, Afrika, Mellemøsten og Sydøstasien.

Dette repræsenterer flere milliarder potentielle kunder for BYD, der bor i lande, der er ivrige efter at finde en geopolitisk balance og forblive på god fod med både Vesten og Kina, så det er usandsynligt, at det vil skabe for stærke protektionistiske barrierer.

Og selv i EU eller USA kan BYD forblive konkurrencedygtig takket være de meget højere priser fra lokale elbilproducenter sammenlignet med priserne i Kina, samt lokalisering af produktionen ud af Kina til disse markeder, som f.eks. Østeuropa, Mexico eller Tyrkiet.