La batteria agli ioni di sodio viene spesso citata come alternativa alla batteria agli ioni di litio. Negli ultimi sei mesi, il significativo aumento del prezzo delle materie prime per le batterie agli ioni di litio potrebbe portare ad un aumento dei prezzi delle batterie agli ioni di litio. Nel frattempo, la batteria agli ioni di sodio si sta gradualmente spostando dalla fase di laboratorio alle prime fasi di commercializzazione. Questi fattori combinati hanno portato le batterie agli ioni di sodio sempre più sotto gli occhi del pubblico. Prossimo, daremo uno sguardo dettagliato a questi due tipi di batterie attraverso un confronto sfaccettato tra ioni di sodio e batteria agli ioni di litio.
Principi fondamentali e struttura
Principio fondamentale
Sia le batterie agli ioni di sodio che le batterie agli ioni di litio si basano su a “sedia a dondolo” meccanismo di carica-scarica. (Per una comprensione dettagliata del principio di funzionamento delle batterie agli ioni di sodio, per favore clicca: Come funziona la batteria a ioni di sodio?) Durante la ricarica, ioni di metalli alcalini (Li⁺ o Na⁺) vengono estratti dall'elettrodo positivo e incorporati nell'elettrodo negativo attraverso l'elettrolita; il processo di scarico è l'inverso. Tuttavia, le differenze nelle proprietà fisico-chimiche degli ioni stessi (come il raggio ionico, potenziale dell'elettrodo standard, e massa) sono la causa principale delle loro differenze.
Il raggio ionico di Na⁺ (ione sodio) È 1.02 OH, e il raggio ionico di Li⁺ (ioni di litio) È 0.76 OH. Na⁺ è più grande di Li⁺, quindi è più difficile che venga incorporato/estratto nella struttura cristallina, che porta facilmente a maggiori cambiamenti di volume strutturale.
Il potenziale dell'elettrodo standard di Na⁺ (ione sodio) È -2.71 V (contro. LEI), e il potenziale dell'elettrodo standard di Li⁺ (ioni di litio) È -3.04 V (contro. LEI). Il potenziale di Na⁺ è più alto, il che fa sì che la tensione operativa e la densità energetica delle batterie agli ioni di sodio siano generalmente inferiori a quelle delle batterie agli ioni di litio.
Il peso atomico di Na⁺ (ione sodio) È 22.99 g/mol, e il peso atomico di Li⁺ (ioni di litio) È 6.94 g/mol. Na⁺ è più pesante, questo è anche uno dei motivi per cui la densità energetica di massa delle batterie agli ioni di sodio è inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio.
Materiale
Sia le batterie agli ioni di sodio che quelle agli ioni di litio hanno diversi tipi di materiali catodici a causa delle differenze nella loro composizione chimica e nei percorsi tecnologici. Tuttavia, in generale, i materiali catodici delle batterie agli ioni di litio sono più costosi, e le loro risorse sono limitate e facilmente vincolabili. Materiali catodici per batterie agli ioni di sodio, d'altra parte, sono abbondanti, uniformemente distribuito, e a basso costo.
Per quanto riguarda i materiali anodici, Le batterie agli ioni di litio utilizzano principalmente grafite; mentre le batterie agli ioni di sodio, a causa dell’incompatibilità della grafite con l’intercalazione degli ioni sodio, attualmente utilizzano principalmente carbonio duro. In questo aspetto, le batterie agli ioni di sodio hanno costi più elevati, che rappresenta uno dei principali colli di bottiglia nella loro maturità tecnologica e nel controllo dei costi.
L'elettrolita nelle batterie agli ioni di sodio è molto simile a quello delle batterie agli ioni di litio, ma utilizza sali di sodio al posto dei sali di litio, con conseguente riduzione dei costi.
Perché l'alluminio forma leghe con il litio a bassi potenziali, i collettori di corrente delle batterie agli ioni di litio utilizzano generalmente un foglio di rame. Gli ioni sodio non hanno questo effetto, quindi i collettori di corrente delle batterie agli ioni di sodio di solito utilizzano un foglio di alluminio più economico, che riduce direttamente i costi dei materiali e il peso della batteria.
Densita 'energia
Che si tratti di LFP o NCM, Le batterie agli ioni di litio hanno una densità energetica maggiore rispetto alle batterie agli ioni di sodio. La densità di energia gravimetrica delle batterie agli ioni di sodio è di circa 20-40% inferiore a quello delle batterie agli ioni di litio, e la differenza di densità energetica volumetrica è ancora maggiore.
Mentre la densità energetica delle batterie agli ioni di sodio sta gradualmente migliorando con i progressi tecnologici, deve affrontare un limite teorico dovuto alle proprietà intrinseche del sodio, che è uno degli svantaggi delle batterie agli ioni di sodio.
Ciclo di vita
La durata del ciclo delle batterie è influenzata da vari fattori, compresa la composizione chimica, tecnologia di produzione, e ambiente operativo.
La durata del ciclo delle batterie agli ioni di litio varia generalmente da 3,000 A 10,000 cicli, con litio ferro fosfato (LFP) batterie agli ioni di litio che presentano una durata di ciclo particolarmente eccezionale. Le batterie agli ioni di sodio hanno in genere un ciclo di vita di 2,000 A 6,000 cicli. Alcuni produttori di batterie agli ioni di sodio affermano che le loro batterie possono raggiungere un ciclo di vita fino a 10,000 cicli.
Attualmente, la durata del ciclo delle batterie agli ioni di litio è generalmente leggermente superiore a quella delle batterie agli ioni di sodio.
Temperatura
L'intervallo di temperature operative di una batteria influisce in modo significativo sui suoi scenari applicativi.
Le batterie agli ioni di sodio hanno un intervallo di temperature operative più ampio rispetto alle batterie agli ioni di litio, soprattutto mostrando un chiaro vantaggio alle basse temperature. L'elettrolita nelle batterie agli ioni di sodio ha una migliore conduttività alle basse temperature, mantenendo circa 90% della sua capacità a -40°C. Tra le batterie agli ioni di litio, Le batterie NMC funzionano ragionevolmente bene alle basse temperature ma hanno una scarsa stabilità termica; Le batterie LFP hanno una stabilità termica relativamente migliore, ma le loro prestazioni sono meno ideali alle basse temperature, che influisce sulla loro prestazione complessiva.
Generalmente, Le batterie agli ioni di sodio funzionano meglio delle batterie agli ioni di litio in ambienti a bassa temperatura. Tuttavia, La tecnologia delle batterie agli ioni di litio è in costante miglioramento, e con prodotti di supporto ben sviluppati, possono ancora essere utilizzati in alcuni ambienti estremi gestendo la temperatura in modo efficace.
Carica e scarica
Teoricamente, Gli ioni Na⁺ hanno un raggio di Stokes più piccolo e un'impedenza interfacciale inferiore, con conseguente maggiore mobilità ionica in alcuni elettroliti. Perciò, le batterie agli ioni di sodio hanno velocità di ricarica più elevate, e il loro potenziale di ricarica rapida è superiore a quello delle batterie agli ioni di litio.
Le batterie agli ioni di sodio hanno una tolleranza relativamente migliore al sovraccarico e allo scaricamento eccessivo, e alcuni sistemi possono sopportare un intervallo di tensione più ampio. Tuttavia, un caricamento e uno scaricamento eccessivi influiranno comunque sulle prestazioni e sulla durata, e può anche portare a situazioni pericolose. Le batterie agli ioni di litio sono più sensibili al sovraccarico e allo scaricamento eccessivo; il sovraccarico può causare gonfiore, e uno scaricamento eccessivo può portare a una perdita irreversibile di capacità. Perciò, la corretta progettazione e gestione del sistema di batterie sono fondamentali per le batterie agli ioni di litio.
Costo
Come abbiamo analizzato in precedenza in questo articolo, Le batterie agli ioni di sodio hanno teoricamente un vantaggio in termini di costi rispetto alle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, nel mercato reale, scoprirai che la differenza di prezzo tra i due non è significativa. Perché è questo??
Innanzitutto, la scala di produzione delle batterie agli ioni di sodio è molto inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio, rendendo impossibile la distribuzione delle attrezzature, R&D, e costi di produzione. Materiali chiave specifici per le batterie agli ioni di sodio (come anodi di carbonio duro e catodi specifici) non hanno ancora formato l'efficiente, basso costo, e catena di fornitura stabile di cui godono le batterie agli ioni di litio. Ciò fa aumentare direttamente i costi di produzione. Attualmente, le batterie agli ioni di sodio sono nelle prime fasi di industrializzazione, e il loro teorico vantaggio in termini di costi viene compensato dalla realtà di una produzione su piccola scala e da una catena di fornitura immatura.
In secondo luogo, Dopo 2023, il prezzo del carbonato di litio è sceso drasticamente dal suo picco. Anche se il prezzo è leggermente aumentato, non è tornato al suo massimo precedente. Ciò ha ripristinato il vantaggio in termini di costi delle batterie agli ioni di litio, comprimendo direttamente lo spazio per le batterie agli ioni di sodio per dimostrare il loro vantaggio in termini di costi.
Il prezzo delle batterie agli ioni di sodio è il risultato degli effetti combinati dei cambiamenti del mercato esterno e delle fasi di sviluppo interno.
Applicazione
Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate in varie applicazioni, compresa l'elettronica di consumo, veicoli elettrici, e accumulo di energia, e rimangono il mainstream assoluto nel mercato. A causa della loro elevata densità energetica, Le batterie agli ioni di litio sono la scelta preferita per applicazioni con severi requisiti di spazio, lunga durata della batteria, e portabilità.
Le batterie agli ioni di sodio si trovano attualmente più comunemente in scenari applicativi specifici, come l'accumulo di energia o apparecchiature specializzate in regioni fredde che richiedono prestazioni elevate a basse temperature, o nei veicoli elettrici a bassa velocità dove lo spazio non è un limite. Se il vantaggio in termini di costi delle batterie agli ioni di sodio diventerà evidente in futuro, applicazioni di accumulo di energia su larga scala con elevate esigenze di costo, durata, e sicurezza, ma con bassi requisiti di densità energetica, sarà l'ideale “campo di battaglia principale” per batterie agli ioni di sodio.
Considerazioni sull'acquisto
Quando si acquistano batterie agli ioni di sodio, farai una scelta in un mercato in rapido sviluppo ma non ancora completamente maturo. I seguenti punti dovrebbero aiutarti nel tuo processo decisionale.
Qualità del prodotto
Attualmente, ci sono numerosi produttori che producono batterie agli ioni di sodio. Riusciranno queste aziende ad ampliare in modo affidabile la propria tecnologia di laboratorio fino alla produzione di massa?? Qual è la qualità effettiva delle loro batterie agli ioni di sodio? Soddisfano le specifiche prestazionali dichiarate? Queste sono tutte considerazioni cruciali prima dell’acquisto.
Per i produttori di celle di batterie agli ioni di sodio, scegliere aziende con linee di produzione dedicate e una vasta esperienza nel controllo della consistenza dei materiali e nell'ottimizzazione dei processi è la prima garanzia della qualità del prodotto. In seguito a questo, Altrettanto importante è testare e testare campioni di batterie per verificare se soddisfano le specifiche.
Prodotti correlati
Attualmente, l’intero ecosistema per le batterie agli ioni di sodio non è ancora maturo, e l’infrastruttura di supporto è ancora incompleta. Batterie agli ioni di litio, d'altra parte, avere una gamma completa di prodotti di supporto, come i caricabatterie, sistemi di gestione della batteria, sistemi di gestione termica, inverter, convertitori, e moduli di comunicazione. Le batterie agli ioni di sodio inizialmente adottarono gli stessi prodotti di supporto, standard di prodotto, metodi di trasporto, e processi di certificazione come batterie agli ioni di litio. Sebbene i prodotti di supporto correlati stiano ora diventando gradualmente disponibili, e la situazione è decisamente migliore rispetto a prima, si consiglia comunque di confermare la disponibilità, sostenibilità, e il prezzo dei prodotti di supporto prima di acquistare celle agli ioni di sodio per pacchi batteria o sistemi, per evitare potenziali problemi in seguito.
Requisito
Prima di scegliere una batteria agli ioni di sodio, è utile chiarire le esigenze specifiche della batteria.
Per progetti di nuova concezione, oltre ai punti sopra menzionati, si consiglia di considerare se le prestazioni e le specifiche della batteria agli ioni di sodio sono adatte, e se la produzione continua è fattibile. Una batteria agli ioni di sodio già prodotta in serie e che abbia ricevuto feedback positivi dal mercato sarebbe ancora migliore.
Se stai sostituendo un prodotto a batteria precedente, ti preghiamo di considerare se è compatibile con la tua attrezzatura esistente. Ciò include il controllo delle dimensioni fisiche, voltaggio, capacità, e compatibilità del caricabatterie. La sostituzione cieca della batteria può portare a conseguenze negative. Per esempio, una tensione incompatibile potrebbe impedire l'avvio del dispositivo o danneggiare il controller.
Riepilogo
Quanto sopra è un confronto tra batterie agli ioni di sodio e batterie agli ioni di litio. Attualmente, entrambi hanno i loro vantaggi. Le batterie agli ioni di litio vantano un'elevata densità di energia, una filiera industriale matura, e un ecosistema ben consolidato. Le batterie agli ioni di sodio offrono vantaggi in termini di prestazioni a bassa temperatura e potenziale del materiale. Le batterie agli ioni di sodio non sostituiscono completamente le batterie agli ioni di litio, ma piuttosto un importante complemento ed estensione. In futuro, la catena industriale delle batterie agli ioni di sodio maturerà gradualmente e i suoi vantaggi in termini di costi diventeranno evidenti? Oppure le batterie agli ioni di litio sperimenteranno nuove scoperte tecnologiche? Aspettiamo e vediamo!
