Tekniktrender
Natriumjonbatteri: den nya trenden för framtidens elfordon
juli 19, 2021
Dela:
Bakgrund
Kostnaden för elbilsbatteri
Varför elbilar behöver bättre batterier
Elfordon, särskilt de som använder förnybar energi för att generera elektricitet, ses som den framtida modellen som kommer att bidra till det globala klimatskyddet. Men i åratal har biltillverkare använt sällsynt och relativt dyrt litium i batteriteknik, vilket saktar ner takten på den massanvändningen av elfordon världen över.
Även om elbilar, kommersiella fordon och elcyklar är i full gång är de fortfarande begränsade i användning. Höga priser, krångliga laddningsanläggningar och en batteriproduktionsprocess som förbrukar stora mängder råvaror hindrar den snabba utvecklingen av elfordon.
För att göra elbilar allmänt tillgängliga måste biltillverkare introducera batterier som är kraftfullare, hållbarare, mer hållbara och prisvärda.
Natrium istället för litium
Materialjämförelse
Natrium istället för litium
Natriumjonbatterier kan vara ett gångbart alternativ, och den senaste utvecklingen inom natriumjonbatterier har varit förvånansvärt progressiv. Inom överskådlig framtid kan natriumjonbatterier komma att kunna ersätta litiumbatterier som används i elfordon, smartphones eller bärbara datorer.
Litium och natrium, två alkalimetaller, har mycket liknande kemiska egenskaper. Även om natrium har en lägre energitäthet jämfört med det mer sällsynta litiumet, är natrium lättare att få tag på och relativt billigt.
Lovande genombrott
Prototypframsteg
Lovande genombrott
Natriumjonbatteriers prestanda ligger fortfarande ungefär 20 år efter litiumbatteriers. Anledningen är att forskare under det senaste decenniet eller så bara har fokuserat på att utveckla litiumbatteriers starkare prestanda.
Idag finns det inte bara banbrytande vetenskapliga publikationer utan även mycket framåtblickande prototyper. Enligt en rapport som publicerades i maj gick ett natriumjonbatteri som utvecklats i Sydkorea igenom cirka 500 fulla laddningscykler innan dess kapacitet sjönk till 80 procent av sin ursprungliga kapacitet.
Ett annat batteri, utvecklat av ett amerikansk-kinesiskt forskarteam, kan laddas cirka 450 gånger med samma batterikapacitet. Ett kinesisktillverkat natriumjonbatteri har en mindre kapacitet, men efter 1200 snabbladdningar på 12 minuter har det fortfarande 70 % av sin batterikapacitet.
Det kanske inte låter mycket, men i praktiken kan dessa batterier klara ett högre antal laddningar eftersom de vanligtvis inte laddas efter att ha tömts i vardagen. Att helt urladda och ladda batteriet i experimentet är mer slitage på batteriet.
Metallgrundämnet litium är mer sällsynt och dyrt, men den mesta av dagens batteriteknik använder litiumbatterier. Den ursprungliga siffran visar de länder som hade störst litiumreserver år 2019.
Dessutom kräver inte natriumjontekniken användning av knappa resurser. Sällsynta litiumsalter behövs inte för att tillverka katoder, eftersom bordssalt räcker. Högpresterande anoder kan tillverkas av brunkol, trä och annan biomassa. Kobolt eller liknande sällsynta ämnen behövs inte i produktionsprocessen.
Grundforskning
Grafen och natriumjoner
Ett genombrott inom grundforskning?
Natrium har två nackdelar: det väger tre gånger mer än litium, så även om litiumbatterier innehåller mindre än 5 % av batteriets totala vikt, skulle ett batteri med natriumjoner fortfarande väga mer än ett litiumbatteri.
Dessutom är natriumbatteriers prestanda svagare. Eftersom natriumjoner bär 0,3 volt mindre än litiumbatterier, finns det en oundviklig förlust på cirka 10 % energitäthet. Viktigast av allt är att grafitanoderna i nuvarande batterier inte tillåter tillräckligt med natrium att finnas kvar.
Enligt en rapport publicerad av en tysk-rysk arbetsgrupp ledd av Helmholtz Centre for Scientific Research (HZDR) i Dresden, Tyskland, kan nanokarbon bidra till att förbättra detta problem. Rapporten noterar att användningen av ett ultratunt kolmaterial, dubbelskiktsgrafen, kan lagra mer natriumjoner i anoden än grafit.
Om grafenelektroderna i framtiden kan installeras i litiumbatterier och ersätta dagens vanligt förekommande grafitanoder, kan det vara möjligt att öka batterikapaciteten avsevärt.
Krasheninkov, en fysiker vid HZDR, jämförde det med att placera en liten boll mellan två pappersark: om du fortsätter att lägga till små bollar mellan pappret, kommer pappret att tryckas längre isär och mellanrummet mellan de två arken kommer att öka.
Kompatibel teknik
Flerskiktsstruktur
En kompatibel teknik?
Om en flerskiktsstruktur för litiumbatterier fungerar, gäller den då även för andra alkalimetaller som natrium? Ett team av arbetare från Dresden, Stuttgart och Moskva hoppas kunna ta reda på det med hjälp av sofistikerade superdatorsimuleringar.
Eftersom prototyperna för natriumjonbatterier hittills inte har fungerat bra eftersom natrium bara nätt och jämnt kan komma in i grafitanoden, visar datorberäkningar att natrium, precis som litium, kan bäddas in mellan grafenlager i en flerskiktsstruktur.
Om grafenelektroder installeras i natriumjonbatterier istället för dagens grafitanoder i framtiden kan högre lagringskapacitet uppnås.
Resultaten av dessa studier kan ge ett genombrott i utvecklingen av billiga natriumbatterier. Krasheninkov sa att arbetet är rent teoretiskt och inte förespråkar utvecklingen av en ny generation batterier inom överskådlig framtid baserat enbart på studieresultaten, men det kan ge intressanta nya idéer för ingenjörer.
Framtidens batterier
Framtidsutsikter
Framtidens batterier
Lyckligtvis är natriumjonbatteriet inte längre bara ett teoretiskt koncept. Ett genombrott inom liknande teknologier verkar vara nära förestående.
De senaste rönen visar att det redan finns praktiska, prisvärda och resurseffektiva alternativ till dyra litiumbatterier, och de kan till och med förbättra sin prestanda genom flerskiktsstrukturer.
Det kommer säkerligen att ta ett tag innan natriumjonbatteritekniken är redo för massproduktion och användning i elfordon eller mobiltelefoner. Men när tiden är mogen borde det inte vara några större problem att ställa om produktionslinjen från litiumbatterier till natriumjonbatterier eftersom tekniken är relativt likartad.
