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锂离子电池储能技术(钠离子电池对锂电池影响)

锂离子电池储能技术(钠离子电池对锂电池影响) 锂储量有限,钠离子电池能否大放异彩?

指导阅读

美国地理调查局估计全球锂资源约为3950万公吨,而具有商业开采价值的锂储量仅为1351.9万公吨。在目前的工业条件下,这样的锂资源可以使用300年以上,这不是问题。但如果需求爆炸,一年80万吨,不到17年就耗光了。

能源问题

能源是支撑人类文明进步的物质基础。随着社会经济的快速发展,人类社会对能源的依赖越来越大。目前,煤炭、石油、天然气等传统化石能源为人类社会提供了主要能源。化石能源的消耗不仅使其日益枯竭,而且对环境产生重大影响。因此,改变现有不合理的能源结构成为人类社会可持续发展面临的首要问题。

目前,大力发展风能、太阳能、潮汐能、地热能等。都是可再生的清洁能源。由于它们的随机性和间歇性,如果产生的电能直接输入电网,会对电网产生很大的影响。在这种形势下,开发高效便捷的储能技术来满足人类的能源需求已经成为世界性的研究热点。

锂离子电池

目前储能方式主要分为机械储能、电化学储能、电磁储能和相变储能。与其他储能方式相比,电化学储能技术具有效率高、投资少、使用安全、应用灵活等特点,最符合当前能源的发展方向。电化学储能历史悠久,其中锂离子电池是一种成熟的储能电池。

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、自放电小、工作温度范围宽等优点。但还是有很多问题,比如电池安全,循环寿命,成本。而且随着锂离子电池在电动汽车上的逐步应用,对锂的需求将大大增加,而锂的储量有限且分布不均匀,这可能是发展低价高安全性的智能电网和可再生能源大规模储能的长寿命储能电池的瓶颈。因此,迫切需要开发下一代综合效率优异的新型储能电池系统。

钠离子电池

与锂资源相比,钠储量非常丰富,约占地壳储量的2.64%,且分布广泛,提炼简单。同时,元素周期表中同一主族的钠和锂具有相似的物理和化学性质。它们的基本属性比较见表1。

表1金属钠和金属锂的基本性能比较

钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似,都是利用钠离子在正负极之间的嵌入和脱嵌过程来实现充放电。

充电时,Na+从阳极释放出来,通过电解液嵌入阴极,电子的补偿电荷通过外电路供给阴极,以保证阳极和阴极之间的电荷平衡。相反,当放电时,Na+从负极脱嵌,并通过电解质插入正极。

在正常充放电条件下,钠离子在正负电极之间的嵌入和脱出不会破坏电极材料的基本化学结构。从充放电的可逆性来看,钠离子电池反应是一个理想的可逆反应。因此,发展钠离子电池技术用于大规模储能应用具有重要的战略意义。

钠离子电池的优势

与锂离子电池相比,钠离子电池具有以下优点:

1.钠盐原料储量丰富,价格低廉。与锂离子电池三元正极材料相比,Fe-Mn-Ni基正极材料的原料成本降低一半;

2.由于钠盐的特性,允许使用低浓度电解液(同浓度电解液,钠盐的电导率比锂电解液高20%左右)以降低成本;

3.钠离子不与铝形成合金,负极可用铝箔做集流体,可进一步降低成本约8%,重量约10%;

4.因为钠离子电池没有过放电特性,所以允许放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg,与磷酸铁锂电池相当,但成本优势明显,有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。

钠离子电池存在的问题及解决方法

1.钠离子电池是一种不同于锂离子电池的电池系统。将锂离子电池的电极材料直接应用于钠离子电池的研究是一条捷径。然而,寻找高能量密度和功率密度的新型正极材料,寻找循环过程中体积变化小的正极材料,提高电池的循环稳定性,是提高钠离子电池性能的重要途径,也是使钠离子电池尽快应用于大规模储能的关键。

2.目前钠离子电池电极材料的合成方法比较简单,主要以传统的固相法和凝胶-溶胶法制备,对电极材料的改性研究很少。寻找更简单高效的合成方法,研究性能更好的材料改性,也是提高钠离子电池性能的途径。

3.安全性是制约锂离子电池发展的重要因素,而钠离子电池也面临着安全问题。因此,开发新的电解质体系,研究更安全的凝胶态和全固态电解质是缓解钠离子电池安全问题的一个重要方向。

另外,钠离子的液体记忆问题现在也解决了。(液体记忆:改变液体的形状,一段时间后,又恢复到原来的状态。)

随着钠离子电池研究的深入,将会开发出新的材料,电池的容量和电压将会进一步提高。钠离子的低成本使得钠离子电池有望用于智能电网或可再生能源的大规模储能。

 
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