Natriumjonbatterier (Na-jonbatterier) har stor potential att bli nästa generations billiga och miljövänliga energilagringslösning. De olika nyckelprestandaindikatorer som krävs för olika tillämpningar och marknadens diversifiering är den drivkraft som driver Na-ion-tekniken närmare marknaden.
En grupp forskare från WMG vid University of Warwick har kombinerat sina kunskaper och sin expertis för att bedöma Na-ion-teknikens nuvarande status, från material till cellutveckling, och erbjuder en realistisk jämförelse av nyckelprestandaindikatorerna för NB:s och LIB:s.
LIB:erna spelar en viktig roll i övergången till en ekonomi med låga koldioxidutsläpp. I takt med att marknaden expanderar snabbt, väcker de miljömässiga och sociala utmaningarna i samband med massproduktion av LIBs dock stor uppmärksamhet mot sökandet efter alternativa energilagringslösningar baserade på material som kan hämtas på ett hållbart och ansvarsfullt sätt. I detta scenario utgör NIBs en alternativ, billig, hållbar och mer miljövänlig teknik för energilagring.
I artikeln ”Challenges of today for Na-based batteries of the future: from materials to cell metrics”, som publicerades den 18 september 2020 i tidskriften Journal of Power Sources, analyserar ett stort team av experter på Na-ion-teknik, under ledning av WMG vid University of Warwick (Storbritannien), utsikterna för att NIBs ska kunna ta en plats på marknaden för energilagring. I artikeln ingår även forskare från Helmholtz Institute Ulm (Tyskland), College de France (Frankrike), Humboldtuniversitetet i Berlin (Tyskland), Institute for Energy Technology (Norge), Université de Picardie Jules Verne (Frankrike), University of Bordeaux (Frankrike) och CIC energiGUNE (Spanien).
Na-baserade batterier erbjuder en kombination av attraktiva egenskaper. De är billiga, använder hållbara prekursorer och har säkra råvarutillgångar. Dessutom betraktas de som en drop-in-teknik som skulle kunna dra nytta av de redan befintliga tillverkningsanläggningarna för Li-jonbatterier.
Som Li-baserade system finns Na-baserade batterier i olika former, t.ex. Na-ion-, Na-all-solid-state-batterier, NaO2 och Na/S. Medan de sistnämnda ses som störande framtida tekniker är Na-ion-tekniken en attraktiv teknik som nästan är redo att utmana Li-jonbatterier i specifika tillämpningar.
Prestationsmått är av yttersta vikt för SIB-tekniken för att säkerställa en konkurrenskraftig kostnad per Wh och för att hitta en plats på marknaden. I detta arbete har de mest lovande elektrodmaterialen och elektrolytsystemen granskats och prestandamått från den akademiska litteraturen har använts för att extrapolera prestandaindikatorer för fullständiga natriumjonceller.
Författarna anger att de bästa material som för närvarande finns tillgängliga för Na-jonceller, med den pågående utvecklingen, bör göra det möjligt att närma sig energitätheten hos den nuvarande generationen av kommersiella Li-jonceller. Ett av de viktigaste tillämpningsområdena för de utvecklade prototyperna av natriumjonbatterier är säkerligen stationära energilagringssystem, där kostnad och livslängd är två grundläggande parametrar. ”På detta område har natriumjonbatterier potential att dominera den framtida marknaden och utgör det mest lovande systemet för att fylla gapet mellan energiproduktion och energianvändning genom att säkra energiförsörjningen. Hög effekttillämpningar inom det elektrifierade fordonsområdet är dock en potentiell nischtillämpning för NIB-batterier”, säger Ivana Hasa, biträdande professor vid WMG.
Det behövs ytterligare tekniska förbättringar för att öka prestandan, särskilt när det gäller energitäthet. Extremt uppmuntrande resultat har uppnåtts för Na-ion-tekniken på mycket kort tid jämfört med Li-ion-tekniken. Tekniska förbättringar kommer att uppnås genom optimering av cellkomponenternas tillverkning/montering, vilket har skett under de senaste trettio åren för LIB-tekniken.
Dr Ivana Hasa från WMG, University of Warwick kommenterar: ”Ur tillämpad forskningssynpunkt bör de framtida forskningsinsatserna ägnas åt grundforskning, upptäckt av material och förståelse av de termodynamiska och kinetiska processer som styr kemin i dessa system. Dessutom är det av största vikt att undersöka uppskalade Na-jonbatterier för att få fram realistiska data för att mäta teknikens framsteg och för att anta en gemensam rapporteringsmetod i forskarsamhället som gör det möjligt att göra en rättvis jämförelse mellan resultaten.”