Natrium (Na)-ion batterijen (NIB’s) hebben een groot potentieel om de volgende generatie goedkope en milieuvriendelijke energie-opslagoplossingen te vertegenwoordigen. De uiteenlopende belangrijkste prestatie-indicatoren die voor verschillende toepassingen vereist zijn en de diversificatie van de markt is de drijvende kracht die de Na-ion-technologie dichter bij de markt duwt.
Een team van wetenschappers, waaronder WMG van de University of Warwick, combineerde hun kennis en expertise om de huidige status van de Na-ion-technologie te beoordelen, van materialen tot celontwikkeling, en bood een realistische vergelijking van de belangrijkste prestatie-indicatoren voor NB’s en LIB’s.
LIB’s spelen een primaire rol in de overgang naar een koolstofarme economie. Naarmate de markt zich snel uitbreidt, leiden de milieu- en sociale uitdagingen in verband met de massaproductie van LIB’s echter tot grote aandacht voor het zoeken naar alternatieve oplossingen voor energieopslag op basis van materialen die op een duurzame en verantwoorde manier kunnen worden gewonnen. In dit scenario vormen NIB’s een alternatieve goedkope, duurzame en milieuvriendelijkere energieopslagtechnologie.
In het paper ‘Challenges of today for Na-based batteries of the future: from materials to cell metrics’, dat op 18 september 2020 is gepubliceerd in het Journal of Power Sources, analyseert een groot team van wetenschappers die deskundig zijn op het gebied van Na-ion-technologie, onder leiding van WMG, aan de University of Warwick (UK), het vooruitzicht dat NIB’s een plek veroveren op de markt voor energieopslag. Het artikel omvat ook onderzoekers van: het Helmholtz-instituut Ulm (Duitsland), het College de France (Frankrijk), de Humboldt-universiteit Berlijn (Duitsland), het Instituut voor Energietechnologie (Noorwegen), de Université de Picardie Jules Verne (Frankrijk), de Universiteit van Bordeaux (Frankrijk) en CIC energiGUNE (Spanje).
NIB’s bieden een combinatie van aantrekkelijke eigenschappen. Zij zijn goedkoop, maken gebruik van duurzame precursoren en hebben een zekere grondstofvoorziening. Bovendien worden zij beschouwd als een drop-in technologie die kan profiteren van de reeds bestaande produktiefaciliteiten voor Li-ion-batterijen.
Zoals Li-gebaseerde systemen zijn er Na-gebaseerde batterijen in verschillende vormen, zoals Na-ion, Na-all-solid-state-batterijen, NaO2 en Na/S. Terwijl de laatste worden gezien als ontwrichtende toekomstige technologieën, vertegenwoordigt de Na-ion technologie een aantrekkelijke technologie die bijna klaar is om de Li-ion batterijen in specifieke toepassingen uit te dagen.
Prestatiemetingen zijn van het grootste belang voor de SIB technologie om een concurrerende kost per Wh te verzekeren en een plaats op de markt te vinden. In dit werk, de meest veelbelovende elektrode materialen en elektrolyt systemen zijn beoordeeld en de prestaties metrieken uit de academische literatuur zijn gebruikt om volledige natrium-ion cellen prestatie-indicatoren extrapoleren.
Auteurs geven aan dat met de voortdurende ontwikkeling, de huidige beste materialen beschikbaar voor Na-ion cellen moet het mogelijk maken het benaderen van de energiedichtheid van de huidige generatie van Li-ion commerciële cellen. Een van de belangrijkste toepassingsgebieden voor de ontwikkelde prototypes van natrium-ionbatterijen is ongetwijfeld stationaire energieopslagsystemen, waarbij de kosten en de levensduur twee fundamentele parameters zijn. “Op dit gebied hebben natrium-ionbatterijen het potentieel om de toekomstige markt te domineren, omdat zij het meest veelbelovende systeem zijn om de kloof tussen energieproductie en -gebruik te dichten door de energievoorziening veilig te stellen. Maar toepassingen met een hoog vermogen in de geëlektrificeerde automobielsector zijn een potentiële nichetoepassing voor NIB’s”, zegt Dr. Ivana Hasa, assistent-professor aan WMG.
Verdere technologische verbeteringen zijn nodig om de prestaties te verbeteren, vooral wat betreft de energiedichtheid. Voor de Na-ion-technologie zijn in zeer korte tijd zeer bemoedigende resultaten bereikt in vergelijking met de Li-ion-technologie. Technologische verbetering zal worden bereikt door optimalisatie van de fabricage/assemblage van celcomponenten, zoals in de afgelopen dertig jaar is gebeurd voor de LIB-technologie.
Dr Ivana Hasa, van WMG, University of Warwick merkt op: “Vanuit het oogpunt van toegepast onderzoek moeten de toekomstige onderzoeksinspanningen worden gewijd aan fundamenteel onderzoek, het ontdekken van materialen en het begrijpen van de thermodynamische en kinetische processen die de chemie van deze systemen bepalen. Bovendien is het onderzoek van opgeschaalde Na-ion-batterijen van primair belang om realistische gegevens te verkrijgen voor het benchmarken van de vooruitgang van de technologie, alsmede het aannemen van een gemeenschappelijke rapportagemethode in de wetenschappelijke gemeenschap die een eerlijke vergelijking tussen prestatieresultaten mogelijk maakt.”