Met de groeiende wereldwijde vraag naar hernieuwbare en schone energie worden efficiënte en duurzame energieoplossingen steeds belangrijker. Vanwege de schaarste aan lithiumbronnen, natriumbatterijen Sinds 2010 hebben ze zowel nationaal als internationaal brede aandacht gekregen van de academische wereld en het bedrijfsleven, en het onderzoek ernaar is snel toegenomen.
Momenteel zijn natriumbatterijen van het laboratoriumstadium naar de markt gegaan. Veel bedrijven over de hele wereld, zoals de Chinese Ningde Times en het Japanse Kishida Chemical, zijn begonnen met het opzetten van hun industriële lay-out voor natriumbatterijen.
In juni 2018 lanceerde het Chinese bedrijf ZhongkeHaina 's werelds eerste elektrische voertuig met een natriumbatterij (72V, 80Ah) en in juni 2021 lanceerde het bedrijf een energieopslagsysteem met een natriumbatterij van 1 MWh.
In dit artikel worden de kenmerken, voordelen, commerciële waarde en toekomstige ontwikkelingsperspectieven van natriumbatterijen onderzocht.
Inhoudsopgave
Hoe natriumbatterijen werken
Voordelen en kenmerken van natriumbatterijen
Toepassingsgebied van natriumbatterijen
Marktvooruitzichten en ontwikkelingstrends van natriumbatterijen
Conclusie
Hoe natriumbatterijen werken
Een natriumbatterij is een secundaire (oplaadbare) batterij die voornamelijk afhankelijk is van de beweging van natriumionen tussen de positieve en negatieve elektroden om te functioneren. Een natriumbatterij bestaat uit een positieve elektrode, een negatieve elektrode, een stroomcollector, een elektrolyt en een separator.
Het werkingsprincipe van natriumbatterijen is vergelijkbaar met dat van lithium-ionbatterijen. Tijdens het opladen en ontladen bewegen natriumionen heen en weer tussen de twee elektroden. Tijdens het opladen worden natriumionen gedeïntercaleerd van de positieve elektrode en ingebed in de negatieve elektrode via de elektrolyt. Tijdens het ontladen wordt het proces omgekeerd, waarbij natriumionen worden geëxtraheerd van de negatieve elektrode, door de elektrolyt gaan en worden geïntercaleerd in het positieve elektrodemateriaal, waardoor de positieve elektrode wordt hersteld naar een natriumrijke toestand.
Voordelen en kenmerken van natriumbatterijen
Vergeleken met traditionele lithium-ionbatterijen hebben natriumbatterijen een aantal unieke voordelen en kenmerken.
Natriumbatterijen zijn bijvoorbeeld relatief goedkoop. Natriumbatterijen worden voornamelijk gemaakt van natriumzouten, die overvloediger en goedkoper zijn dan lithiumzouten. Daarnaast gebruiken natriumbatterijen mangaan-nikkel-gebaseerde materialen als positieve elektroden, die geen zeldzame en dure kobalt- of nikkelmetalen vereisen, wat de materiaalkosten verder verlaagt. Daarom zijn de totale productiekosten van natriumbatterijen relatief laag.
Ten tweede zijn natriumbatterijen erg veilig. Ze hebben een hogere interne weerstand, wat resulteert in minder warmteontwikkeling tijdens kortsluiting. Daarom zijn ze stabieler tijdens het laden en ontladen en vormen ze minder veiligheidsrisico's, zoals via verbranding of explosies. Bovendien hebben natrium-energieopslagbatterijen minder temperatuurbeperkingen voor gebruik en kunnen ze normaal functioneren, zelfs bij hoge of lage temperaturen.
Ten derde zijn natriumbatterijen milieuvriendelijker omdat ze geen giftige of zware metalen bevatten zoals lood en kwik. In vergelijking met andere soorten batterijen hebben natriumbatterijen ook een lagere negatieve impact op het milieu tijdens productie, gebruik en recycling.
Ten vierde hebben ze een lange levensduur. Natriumbatterijen kunnen meerdere duizenden keren of meer worden opgeladen, wat aanzienlijk hoger is dan traditionele loodzuurbatterijen of lithium-ionbatterijen. Daarom kan het gebruik van natriumbatterijen de vervangingskosten en onderhoudskosten van batterijen verlagen.
Toepassingsgebied van natriumbatterijen
Een nadeel van natriumbatterijen is dat ze vergeleken met lithiumbatterijen een lagere energiedichtheid hebben, wat betekent dat ze doorgaans meer ruimte nodig hebben voor dezelfde hoeveelheid opgeslagen energie en bepaalde beperkingen hebben wat betreft de gebruiksruimte. Daarom wordt verwacht dat ze eerst worden toegepast in elektrische voertuigen met een lage snelheid. Naarmate de industrie volwassener wordt, is het waarschijnlijk dat natriumbatterijen geleidelijk worden toegepast op scenario's voor energieopslag, zoals opslag van hernieuwbare energie, huishoudelijke en op netniveau opgeslagen energie, etc.
Ondanks hun verminderde capaciteiten zijn de algehele prestaties van natriumbatterijen toch beter dan die van loodzuurbatterijen. Onder de wereldwijde trend van groene ontwikkeling en milieubescherming lijkt het vervangen van kortlevende, zeer vervuilende loodzuurbatterijen door natriumbatterijen de algemene trend te worden. De industrialisatie van natriumbatterijen staat nog in de kinderschoenen, maar de daaropvolgende kosten zullen naar verwachting dalen en uiteindelijk lager worden dan die van loodzuurbatterijen, waardoor grootschalige geïndustrialiseerde toepassingen mogelijk worden.
Bovendien hebben natriumbatterijen, vanwege hun lage kosten en lange levensduur, unieke voordelen in grootschalige energieopslagsystemen. Vergeleken met traditionele lithium-ionbatterijsystemen kunnen energieopslagsystemen die zijn gebouwd met natriumbatterijen, op een meer economische en betrouwbare manier voldoen aan de energiebehoeften. Natriumbatterijen zullen daarom een belangrijke rol spelen bij het opslaan van overtollige elektriciteit uit nieuwe energiebronnen, zoals zonne- en windenergie. De instabiliteit van deze hernieuwbare energiebronnen betekent dat de energievoorziening fluctueert, waardoor natriumbatterijen een ideale keuze zijn voor het opslaan van overtollige elektriciteit uit nieuwe energiebronnen.
Marktvooruitzichten en ontwikkelingstrends van natriumbatterijen
Met de toenemende aandacht voor duurzame ontwikkeling en schone energiebronnen zijn de marktvooruitzichten voor natriumbatterijen breed en zullen ze waarschijnlijk een belangrijke rol spelen in toekomstige energietransities. Met de snelle ontwikkeling op het gebied van energieopslag en elektrische voertuigen is er voldoende ruimte voor de marktuitbreiding van natriumbatterijen.
Als zodanig zal de concurrentie om marktinvloed op het gebied van natriumbatterijen in het komende decennium een nieuw slagveld worden voor wereldwijde energietechnologie en zal het een investeringshotspot blijven op zowel primaire als secundaire markten. Volgens de voorspellingen van EVTank zal er in 135 een speciale productielijncapaciteit van 2023 GWh voor natriumbatterijen zijn gevormd in de hele keten van de elektrische batterij-industrie, terwijl het werkelijke verzendvolume van natriumbatterijen naar verwachting 347 GWh zal bereiken in 2030. Op basis van deze berekening wordt de samengestelde jaarlijkse groei van natriumbatterijverzendingen van 2024 tot 2030 geschat op 58.1%.
Op dit moment zijn de relevante technologieën in de natriumbatterij-industrieketen nog in ontwikkeling. In de beginfase van het realiseren van de geïndustrialiseerde massaproductie van natriumbatterijen, moeten twee aspecten prioriteit krijgen: ten eerste, verbetering van de batterijprestaties, inclusief verbeteringen in energiedichtheid en cycluslevensduur. Van alle huidige technologieroutes heeft het gelaagde oxide-harde koolstofsysteem de hoogste energiedichtheid en zal naar verwachting als eerste op de markt worden gebracht. De lage energiedichtheid van zowel Pruisisch blauw (wit) als polyanionische routes zal naar verwachting ook geleidelijk verbeteren met de voortdurende vooruitgang van grote fabrikanten, waardoor er meer opties ontstaan voor kathodematerialen voor natriumbatterijen.
Ten tweede moeten kostenoverwegingen voor grootschalige productie ook worden verlaagd. Vergeleken met meer volwassen lithiumbatterijen zijn de productiekosten van natriumbatterijen nog niet voordelig voor fabrikanten. Echter, naarmate grote fabrikanten geleidelijk hun output verhogen en de productie in de latere fase volwassen wordt, wordt verwacht dat de kosten van natriumbatterijen zullen dalen tot het niveau van loodzuurbatterijen, wat een groter concurrentievoordeel oplevert.
Conclusie
Concluderend hebben natriumbatterijen, als een nieuwe generatie van energieopslagtechnologie, een aanzienlijke commerciële waarde en ontwikkelingsvooruitzichten. Met hun lage kosten, verbeterde veiligheid, lange levensduur en milieuvriendelijkheid zijn ze momenteel de ideale keuze voor elektrische voertuigen met lage snelheid en opslag van hernieuwbare energie. Met de toenemende wereldwijde aandacht voor duurzame ontwikkeling en schone energie, wordt verwacht dat de markt voor natriumbatterijen zal blijven groeien. Tot slot, naarmate de technologie blijft verbeteren, natriumbatterijen zullen naar verwachting bredere toepassingen vinden in bijvoorbeeld draagbare batterijen, wat nog bredere ontwikkelingsperspectieven biedt.
