Литиевая батарея и натриевая батарея: Различия и преимущества

1.Введение

Могут ли натрий-ионные батареи заменить литий-ионные аккумуляторы и стать мейнстримом на рынке аккумуляторов? Давайте обсудим литиевые и натриевые аккумуляторы. До этого мы также сравнили различия между литий-ионными и никель-металлгидридными аккумуляторами. Кроме того, мы сравнили аккумуляторы 21700 с литий-ионными аккумуляторами 18650, надеясь, что вы сможете почерпнуть из этого полезную информацию.
Решения в области электропитания претерпевают изменения, и портативные аккумуляторы тоже. В этой статье мы расскажем вам о типе аккумулятора, который сравнивается с популярными типами батарей и стал одной из самых актуальных тем в аккумуляторной индустрии.
В этой статье рассказывается о литиевых и натриевых батареях. Несмотря на достаточное количество исследований, направленных на то, чтобы сделать натрий лучшей альтернативой литию в портативных энергетических решениях, стандартизация и коммерциализация натриевых батарей длится всего несколько лет.

2.Что такое натриево-ионная батарея

В целом, натриевые батареи - это еще один тип перезаряжаемых аккумуляторов, принцип работы которых очень похож на литиевые: ионы перемещаются между положительным и отрицательным электродами. Почему натрий считается перспективной альтернативой литиевым батареям? Ответ кроется в его химических свойствах. Поскольку литий и натрий являются металлическими элементами и находятся рядом в периодической таблице, их основные свойства: валентные электроны, способность переносить заряд и реакции заряда-разряда - совпадают.

3.Принцип работы натриевой батареи

Чтобы понять принцип работы натриевых батарей, необходимо углубиться в их химический состав. Как и любой другой перезаряжаемый аккумулятор, натриевые батареи состоят из катода, анода и электролита. Когда активный материал помещается в электролит, на аноде происходит окисление, и электрод теряет электроны. Эти электроны перемещаются на катод, где происходит реакция восстановления. Таким образом, возникает ток, повышающий напряжение батареи, что в конечном итоге приводит к ее зарядке.

4.Практичны ли натриевые батареи?

Поскольку натрий более распространен в природе, чем литий, натриевые электроды, основной компонент натриевых батарей, становятся дешевле, что делает эти батареи более экономичным выбором по сравнению с литиевыми. В споре между литиевыми и натриевыми батареями относительные преимущества натриевых батарей перед литиевыми заключаются в следующем:

（1） Катодный материал из сплава натрия (железо-никель-марганец), благодаря обилию дешевых солей натрия, стоимость сырья почти в два раза ниже, чем стоимость материалов для тройного катода литиевой батареи.
（2）При одинаковой концентрации электролита проводимость натриевых электролитов на 20% выше, чем у литиевых, что делает их более доступным вариантом для растворов электролитов с низкой концентрацией.
（3）Хотя по плотности энергии натриевые батареи не могут сравниться с литий-ионными, их экономическая эффективность очень высока, что делает их заменой традиционным свинцово-кислотным батареям.

5.Недостатки натриевых батарей

（1） В натриевых батареях в качестве электролита в основном используются органические растворители, что может стать серьезной проблемой с точки зрения безопасности, поскольку эти органические растворители очень огнеопасны, что может привести к взрывам и пожарам.
（2） Объемная плотность энергии натриевых батарей ниже из-за присутствия в их кристаллической структуре молекул воды и групп CN, высвобождающих молекулы HCN, что снижает плотность. В процессе производства батарей требуется больше вспомогательных материалов и производственных затрат.

6.Что такое литий-ионный аккумулятор

Наиболее распространенный тип перезаряжаемых аккумуляторов; литий-ионные батареи состоят в основном из четырех компонентов. Катод, анод, электролит и сепаратор. Катод является источником ионов лития, определяющим напряжение и емкость этих батарей, а анод отвечает за прохождение тока во время зарядки.
Когда анод полностью заряжен, в нем накапливаются ионы лития. Электролит служит связующим звеном между анодом и катодом. Это может быть растворитель, добавка или соль. И, наконец, сепаратор, который практически не требует пояснений, выступает в качестве физического барьера между анодом и катодом.
Поскольку литий-ионные батареи обладают высокой плотностью энергии, компактными размерами и небольшим весом, они стали популярным выбором для портативных электронных устройств, таких как ноутбуки, планшеты, смартфоны и электроинструменты.

7.Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Как уже говорилось выше, литий-ионные батареи состоят из четырех основных компонентов и работают за счет окислительно-восстановительных реакций, которые происходят отдельно на аноде и катоде. Положительные заряды стекают с анода и собираются на катоде, генерируя ток. Этот ток течет между коллектором и отрицательным коллектором к заряжаемому устройству (между ними), а сепаратор предотвращает соприкосновение анода и катода, образуя короткое замыкание.

8.Практичны ли литий-ионные аккумуляторы?

（1）Для всех умных и высокотехнологичных устройств, где замена батарей неудобна, литий-ионные батареи зарекомендовали себя как хороший выбор, поскольку они имеют более длительный срок службы.
（2）Литий-ионные батареи выдерживают широкий диапазон рабочих температур, что делает их идеальными для использования в районах с жарким климатом и на открытом воздухе.
（3） Самое главное, что литий-ионные батареи имеют более высокую плотность энергии и более длительный срок службы, а также способность к быстрой зарядке и выносливость, что делает их лучше традиционных аккумуляторных технологий.

9.Недостатки литий-ионных аккумуляторов

（1）Литий-ионные батареи обычно выдерживают высокие температуры, но не низкие.
（2） Использование литий-ионных аккумуляторов при низких температурах приводит к низкой емкости, сильному затуханию и низкой скорости цикла.

10.Области применения литий-ионных и натриевых батарей

Химические свойства литий-ионных и натриевых аккумуляторов определяют их основные области применения.
（1）Литий-ионные батареи, благодаря высокой плотности энергии и рабочему напряжению, являются предпочтительным выбором для зарядки портативных электронных устройств, таких как системы солнечной энергии, RV, лодки, гольф-кары и т.д.
（2）С другой стороны, натриево-ионные батареи, благодаря обилию элементов натрия в природе, сильной тепловой адаптации, невоспламеняемости и высокой энергии, оказались перспективной технологией будущего. Они используются в энергосетях, электромобилях и других подобных приложениях.

11.Диапазон рабочих температур литий-ионных и натриевых аккумуляторов

Рабочая температура литий-ионных и натриевых батарей зависит от эффективности разряда и срока службы. Подходящая рабочая температура для натриево-ионных батарей составляет -40-+60℃, а для литий-ионных -20-60℃.

12.Различия между литиевыми и натриевыми батареями

Основные различия между литиевыми и натриевыми батареями заключаются в их производительности и температурном диапазоне.
Если говорить об элементарных характеристиках, то очевидно, что литий обладает лучшими электрохимическими свойствами по сравнению с натрием, что позволяет лучше передавать энергию. В итоге было доказано, что литиевые батареи превосходят натриевые по производительности и долговечности.
Натриевые батареи не подвержены тепловому разряду, а значит, они менее подвержены возгоранию и могут эффективно работать в холодных условиях. Одним словом, натриево-ионные батареи обеспечивают превосходную производительность в более широком диапазоне температур.

(1) Размер

При обсуждении размеров литиевых и натриевых батарей необходимо учитывать два важных фактора: плотность энергии и заряд на единицу объема.
Как правило, для хранения одинакового количества энергии натриево-ионные батареи имеют больший размер, чем литиево-ионные, поскольку натриево-ионные батареи имеют более низкую плотность энергии, что приводит к меньшему заряду на единицу объема. Однако с развитием технологий мы ожидаем повышения плотности энергии как литиевых, так и натриевых батарей, что позволит нам создавать более компактные, но при этом более мощные батареи.

(2) Стоимость

Сравнивая цены на литиевые и натриевые батареи, можно сказать, что, хотя предстоит еще много работы по коммерциализации натриево-ионных батарей и их широкому распространению, ожидается, что цена натриево-ионных батарей будет на 30-40% ниже, чем у литиево-ионных батарей, ионного аналога.

13.Сравнение производительности литиевых и натриевых батарей

Благодаря лучшим электрохимическим свойствам и эффективному переносу энергии литий-ионные аккумуляторы превосходят натриево-ионные. Более высокая плотность энергии и низкое внутреннее сопротивление делают их предпочтительным выбором для всех портативных электронных устройств, требующих частой подзарядки.
В споре между литиевыми и натриевыми батареями цена батареи и воздействие на окружающую среду являются первостепенными факторами, при этом натриево-ионные батареи обладают лучшими характеристиками. Например, в сетевых накопителях, где батареи большой емкости требуют более длительного времени хранения и более низкой частоты зарядки, натриево-ионные батареи являются хорошим выбором.

14.Какая батарея безопаснее: Литий-ионный или натрий-ионный?

Говоря о факторах безопасности литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов, следует отметить, что в мире зафиксировано множество случаев взрывов и пожаров литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, это касается в основном литий-кобальт-оксидных батарей, но не все литий-ионные батареи содержат небезопасные материалы, как, например, литий-железо-фосфатные батареи, в которых используются безопасные и экологически чистые материалы без токсичных тяжелых металлов.
В отличие от них, натрий-ионные батареи не требуют специальных мер по безопасному обращению, использованию и хранению, поскольку их более безопасный химический состав гарантирует, что батареи никогда не будут давать сбоев.

15.Лучше ли натриевые батареи, чем литиевые?

Учитывая обилие натрия в земной коре по сравнению с литием, ученые считают, что в обозримом будущем мы сможем полагаться на натрий, и он станет более доступной, экономичной и устойчивой альтернативой.
Однако в настоящее время проводятся различные исследования, позволяющие сделать вывод о том, что натриевые батареи более экологичны, чем литиевые, и имеющихся данных недостаточно для принятия окончательного решения.

16.Заменят ли натрий-ионные батареи литий-ионные?

Учитывая изобилие натрия и его благоприятные химические свойства, существует большая возможность для натрия заменить литий-ионные батареи в качестве более дешевого и экологичного решения. Если это произойдет, то натриево-ионные батареи позволят снизить стоимость замены литий-ионных батарей почти в два раза.
Однако натриевые батареи не могут полностью заменить литий-ионные, поскольку они не подходят для приложений, требующих высокой плотности энергии, таких как смартфоны, ноутбуки, морские аккумуляторы и т.д.
Автомобили большой грузоподъемности с более низкими требованиями к плотности энергии по-прежнему пользуются спросом на рынке. В будущем широкое применение получат натриевые батареи для распределенного хранения энергии и хранения данных в сетях.

17.Почему не используются натрий-ионные батареи?

Натрий-ионные батареи имеют недостаток в плотности энергии по сравнению с литий-ионными (такими как литий-железо-фосфат и литий-марганец-оксид). Кроме того, они не обладают большим преимуществом по стоимости.
Натрий-ионные батареи не получили широкого распространения. Во-первых, цепочка поставок натриево-ионных батарей не отлажена, и существует множество потенциальных недостатков. Натриевые батареи не получили значительного преимущества по стоимости. При выборе между литий-ионными и натрий-ионными батареями пользователи охотнее принимают более зрелые продукты на основе литий-ионных батарей.