Die Anziehungskraft von Na

Natriumionen sind ein weiteres Werkzeug in der Ausrüstung der Chemiker zur Bewältigung der Klimakrise

BOSTON, 31. Mai 2023 /PRNewswire/ -- Na-Ionen sind wahrscheinlich die bekannteste Metall-Ionen-Batteriechemie außerhalb von Li-Ionen und funktionieren über denselben „Schaukelstuhl“ (wo das Alkali-Ion von einem Nichtmetall aus wechselt). Anode zu einer Kathode beim Entladen und umgekehrt beim Laden) Prinzip der reversiblen Kationeninterkalation an einer positiven und negativen Elektrode. Materialien können auch Li-Ionen ähneln, wobei Metalloxide häufig als Kathode und kohlenstoffbasierte Materialien als Anode verwendet werden. Der Kohlenstoff kann jedoch nicht in Form von Graphit vorliegen, da die Größe von Na+ für eine Einlagerung zu groß ist und sich die Materialauswahl in der Realität erheblich von der Li-Ionen-Chemie unterscheiden kann.

Diversifizierter Kathodenansatz

Die drei Hauptfamilien von Kathodenmaterialien sind geschichtete Metalloxide, polyanionische Verbindungen und Preußischblau-Analoga (PBA). Schichtoxide von Übergangsmetallen haben zweidimensionale Schichtstrukturen, die eine reversible Natriuminsertion ermöglichen. Der große Vorteil dieser Verbindungen liegt in ihrem niedrigen Molekulargewicht, was zu einer hohen theoretischen spezifischen Kapazität führt. Allerdings weisen sie nicht nur ein moderates Redoxpotential auf, sondern durchlaufen während der Deinsertion/Insertion von Natriumionen auch mehrere Phasenübergänge, was zu struktureller Instabilität während des Ladens/Entladens, insbesondere bei hohen Spannungen, und damit zu einer geringen Zyklenfähigkeit führt.

Aufgrund ihrer hohen Stabilität und schnellen Ionenmobilität innerhalb ihres Strukturgerüsts werden polyanionische Materialien intensiv als vielversprechende Kathodenmaterialien für Na-Ionen-Batterien untersucht. Obwohl diese Materialien im Allgemeinen eine geringere Kapazität als die Schichtoxide (typischerweise aufgrund ihres höheren Molekulargewichts) und eine niedrige elektronische Leitfähigkeit aufweisen, gelten sie aufgrund ihrer höheren Spannungs- und Strukturstabilität als sehr attraktiv.

Die dritte interessante Familie sind Preußischblau-Analoga (PBAs). Sie haben eine 3D-Struktur mit großen Kanälen, durch die Natriumionen schnell diffundieren können. Darüber hinaus bestehen sie aus reichlich vorhandenen, billigen und ungiftigen Elementen. Der zusätzliche Vorteil von PBAs ist die einfache Synthese: Ihr Hauptnachteil ist ihre geringe Dichte, die im Vergleich zu Schichtoxiden zu einer geringen volumetrischen Energiedichte führt.

Wie bei Li-Ionen-Batterien hat jede Familie von Kathodenmaterialien ihre Vor- und Nachteile (z. B. in Bezug auf elektrochemische Leistung, Nachhaltigkeit, Kosten usw.). In Anbetracht dieses Szenarios gibt es keine einzige gewinnende Chemie. Es ist wahrscheinlicher, dass mehrere Na-Kathoden nebeneinander existieren würden, um die breiten Anforderungen zu erfüllen, die sich aus dem breiten Markt für unterschiedliche Anwendungen ergeben. Der IDTechEx-Bericht „Sodium-ion Batteries 2023-2033: Technology, Players, Markets, and Forecasts“ deckt die industriellen Entwicklungen auf dem Markt für Na-Ionen-Batterien ab und bietet Patentanalysen für die Chemie der wichtigsten Akteure.

Sind Na-Ionen-Batterien wirklich nachhaltig?

Eines der wichtigsten Wertversprechen der Na-Ionen-Batterie ist die Verwendung nachhaltiger Materialien. Natrium ist weit verbreitet und Problemstoffe wie Kobalt können vermieden werden.

Während für Kathodenmaterialien Kobalt weniger wahrscheinlich ist, können dennoch relativ teure Materialien wie Vanadium verwendet werden. Im Vergleich zu Li-Ionen können Na-Ionen aufgrund der Verwendung von Natrium anstelle von Lithium als nachhaltiger vermarktet werden – dies wäre eine zu starke Vereinfachung, da Lithium nur einen geringen Prozentsatz einer Li-Ionen-Zelle ausmacht. Na-Ionen-Zellen können und werden kostengünstige Materialien in ihren Elektroden verwenden, aber das kann auch für Li-Ionen mit LFP oder Mangan-basierten Kathoden gelten. Die Möglichkeit, Aluminium sowohl als negativen als auch positiven Stromkollektor zu verwenden, bietet das Potenzial für Kosteneinsparungen. Auch die Wahl des Elektrodenmaterials ist in diesem Zusammenhang von entscheidender Bedeutung, da sowohl teure als auch billige Materialien verwendet werden können.

Eine Chance besteht mittelfristig in einer potenziellen Verknappung des Lithiumangebots, da es an notwendigen Investitionen in die Rohstoffgewinnung mangelt. Obwohl genügend Lithiumressourcen vorhanden sind, um den prognostizierten Bedarf an Li-Ionen vor Berücksichtigung des Recyclings zu decken, ist die Kapazität zur Gewinnung dieses Lithiums nicht im erforderlichen Maße gewachsen, was eine Chance für alternative Chemikalien (z. B. Na-Ionen) im Medium und bietet langfristig. Der IDTechEx-Bericht über Na-Ionen-Batterien prognostiziert das Wachstum der Nachfrage nach Na-Ionen-Batterien in Anwendungen wie stationärer Energiespeicherung und Mikro-Elektrofahrzeugen.

Die in kommerziellen Na-Ionen-Zellen verwendeten Chemikalien sind für bestimmte Anwendungen optimiert

Während sich die Na-Ionen-Technologie noch in der frühen Forschungs- und Entwicklungsphase befindet, bieten Unternehmen wie Tiamat (mit polyanionischer Chemie), Faradion (mit Schichtoxid-Chemie) und Natron (mit PBA-Chemie) kommerzielle Produkte an, die Na vorantreiben -Ionen-Technologie in Hybrid-Elektrofahrzeugen, stationärer Speicherung und Notstromversorgung für Rechenzentren als Marktanwendungen. Damit demonstrieren sie die Erfolgsaussichten und heben darüber hinaus Marktsektoren hervor, in denen Na-Ionen die Gewinnertechnologie sein könnten. Der IDTechEx-Bericht „Sodium-ion Batteries 2023-2033: Technology, Players, Markets, and Forecasts“ enthält ihre Unternehmensprofile sowie mehrere andere Batteriehersteller, die Na-Ionen als Option in Betracht ziehen.

Weitere Informationen zu diesem IDTechEx-Bericht, einschließlich herunterladbarer Beispielseiten, finden Sie unter www.IDTechEx.com/Sodium.

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