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La batalla entre el sodio y el litio: ¿Quién dominará el futuro de los vehículos de nuevas energías?

A partir del 18 de julio, Zhengzhou, provincia de Henan, sufrió lluvias extremadamente intensas. Durante este período, una noticia llamó la atención de muchas personas: se trataba de un vehículo de nueva energía con la mitad de su cuerpo sumergido en agua. Avanza como un submarino en el agua. Al final, el vehículo logró salir de la zona inundada.

Las características del elemento hacen que el litio sea tan popular

La razón por la que los vehículos de nuevas energías pueden viajar en zonas de aguas profundas es realmente fácil de explicar: porque no necesitan obtener litio de El aire exterior como los vehículos de combustible obtienen oxígeno como oxidante necesario para las reacciones de liberación de energía. Dentro del paquete de baterías del vehículo de nueva energía, los iones se desplazan entre el cátodo y el ánodo, generando corriente para liberar energía. Por lo tanto, el "sistema de alto voltaje" de los vehículos de nueva energía puede aislarse completamente del ambiente externo y generalmente cumple con el estándar de impermeabilidad IP67, lo que significa que no puede garantizar fugas de agua bajo una profundidad de 1 metro durante 30 minutos.

Sin embargo, el "sistema de baja presión" de los vehículos de nueva energía a menudo no tiene un rendimiento a prueba de agua tan excelente, y es probable que ocurran cortocircuitos y otros problemas en el agua, por lo que todavía no es adecuado para Conduzca en zonas de aguas profundas donde los neumáticos no estén cubiertos.

Los vehículos de nueva energía se han "lucido" ante el público con su superior rendimiento de vadeo en el agua en comparación con los vehículos de combustible. Y al igual que un dicho famoso en la industria, "Quien gana la batería gana el mundo", las baterías eléctricas, un componente central que representa alrededor del 40% del costo de fabricación de los vehículos de nueva energía, también están a punto de sufrir grandes cambios. .

Esto hace que CATL, que ha ganado el campeonato mundial de cuota de mercado de baterías eléctricas durante cuatro años consecutivos, todavía no se atreva a relajarse. Recientemente publicó sus últimas investigaciones y desarrollo de baterías de iones de sodio. Entonces, ¿por qué CATL, un gigante de las baterías de iones de litio, lanza baterías de iones de sodio en este momento? ¿Qué ventajas tiene respecto a las baterías tradicionales de iones de litio? ¿Dónde está el futuro de las baterías eléctricas?

De hecho, la investigación de la comunidad científica sobre las baterías de sodio comenzó casi al mismo tiempo que las baterías de litio. Ambos partieron de la urgente necesidad de nuevos materiales de almacenamiento de energía en el contexto de la Guerra Fría y la crisis del petróleo a finales de los años 1960.

La primera generación de baterías de litio fueron las baterías de metal litio, que eran diferentes a las actuales baterías de iones de litio. El efecto de cristalización durante el proceso de carga es extremadamente grave y puede provocar fácilmente cortocircuitos internos, por lo que son básicamente baterías no recargables.

La esencia de una batería de iones es que los elementos metálicos van y vienen entre el electrodo positivo y el electrodo negativo en un estado iónico, en el proceso, se obtienen y liberan electrones, formando así una corriente eléctrica. Los iones metálicos son sólo "portadores" de electrones, lo que casi no produce pérdida de materiales de electrodos positivos y negativos y logra un ciclo de vida muy alto. Esta es la idea principal detrás de las baterías recargables ahora.

Una batería recargable ideal debe ser lo más pequeña posible en tamaño y peso, y poder almacenar y transportar más energía. Por lo tanto, desde la perspectiva de la tabla periódica de elementos, para convertirse en un buen portador de energía, la masa relativa de un átomo debe ser pequeña, la capacidad de ganar y perder electrones debe ser fuerte y la relación de transferencia de electrones debe ser alta. . El litio, el metal más ligero del planeta, se ha convertido en el material ideal para fabricar baterías.

Al mismo tiempo, el sodio y el potasio, congéneres del litio, también se han convertido en objeto de investigación. Pero como los átomos de sodio tienen 8 electrones más que los átomos de litio, el radio atómico del sodio es mucho mayor que el del litio. Esto hace que ocupe más espacio cuando se incrusta y se extrae entre los materiales de los electrodos positivo y negativo, y requiere el uso de materiales con orificios de incrustación más grandes y más fuertes que los electrodos positivos y negativos de las baterías de iones de litio.

Y es mucho más pesado que el litio, lo que hace que las baterías de sodio tengan una densidad de almacenamiento de energía menor que las de litio. Esta serie de problemas hizo que las baterías de iones de sodio alguna vez fueran olvidadas en la ola de investigación sobre baterías. Las baterías de litio marcaron el comienzo de un avance tecnológico a finales de la década de 1980. Las "baterías de mecedora" basadas en iones de litio reemplazaron al anterior sistema de baterías de metal de litio, ocupando por completo el mercado de la electrónica de consumo en solo unas pocas décadas y convirtiéndose en la solución principal actual para las nuevas energías. Baterías de alimentación de vehículos.

Preocupación por el "agotamiento del almacenamiento de energía"

Pero los primeros científicos que estudiaron las baterías de litio hace 50 años probablemente no habrían pensado que la Tierra no es un planeta rico en recursos de litio. El contenido de litio en la corteza terrestre sólo representa el 0,0065%, y el 70% se encuentra en América del Sur, lo que provoca una distribución desigual.

Un problema similar es que la situación del cobalto, otro elemento indispensable en el cátodo de las baterías de iones de litio, no es optimista.

Se distribuye principalmente en la República Democrática del Congo (52%) y Australia (17%), representando el 0,001% de la masa de la corteza terrestre. A nivel mundial, la producción de baterías de litio continúa alcanzando nuevos máximos y el precio general de las baterías de litio ha caído drásticamente. Sin embargo, el precio de las materias primas utilizadas para producir electrodos de baterías de litio se ha disparado rápidamente y el "agotamiento de las reservas" se está convirtiendo en una verdadera preocupación. para muchas personas en la industria.

Las baterías de iones de litio enfrentan un desafío que la mayoría de los productos básicos nunca enfrentarán: a medida que aumenta la producción, los precios no sólo no siguen bajando, sino que pueden aumentar drásticamente. Esta situación ha puesto en vilo a las empresas de automóviles de nueva energía, ya que para construir un automóvil se utilizan materias primas equivalentes a cientos de baterías de teléfonos móviles.

Entonces, en los últimos años, lo que más han hecho las principales empresas de vehículos de nueva energía, además de fabricar automóviles, es probablemente reducir el contenido de litio y cobalto en los paquetes de baterías, adquirir acciones en empresas mineras de minerales y desarrollar vigorosamente el siguiente. -Sistemas de almacenamiento de energía de generación distintos del “litio”.

En este contexto, las baterías de iones de sodio, que habían sido descuidadas en los primeros años, de repente se convirtieron en un foco de investigación después de 2010. A diferencia del litio, que tiene reservas escasas, el sodio representa el 2,75% de la masa de la corteza terrestre, lo que supone 400 veces la del litio. Como componente principal de la sal de mesa en nuestra mesa diaria, el precio del cloruro de sodio es menos de 1/10 del del carbonato de litio.

“Híbrido de sodio y litio”

Como el mercado de vehículos de nueva energía más grande del mundo, China también es líder mundial en la investigación de baterías de iones de sodio. Antes de la era Ningde, la batería de iones de sodio investigada por Zhongke Haina, una filial del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China, se puso en producción en masa el año pasado, pero la densidad de energía aún era baja, alrededor de 145 Wh/kg.

La densidad de energía de la celda de la batería de iones de sodio de primera generación del CATL alcanzó los 160 Wh/kg. Aunque la densidad de energía de 160 Wh/kg no es alta en comparación con las baterías ternarias de litio que pueden alcanzar fácilmente los 300 Wh/kg, y es incluso menor que la de las baterías de fosfato de hierro y litio, ya es la densidad de almacenamiento de energía más alta de las baterías de iones de sodio del mundo. . nivel.

Además, la batería de iones de sodio de CATL puede alcanzar más del 80% de su capacidad cuando se carga durante 15 minutos a temperatura ambiente y en un ambiente de baja temperatura de -20 grados centígrados, también tiene descarga; tasa de retención de más del 90%, que es mucho mejor. El rendimiento de las baterías de litio ternarias en esta condición es inferior al 70%.

Las baterías de iones de sodio también pueden pasar la prueba de acupuntura más estricta de la industria y básicamente pueden considerarse como la versión de "carga rápida" y "rendimiento mejorado a baja temperatura" de las baterías de fosfato de hierro y litio. Complementadas con ventajas de costo y seguridad extremadamente altas, las baterías de iones de sodio pueden usarse como sustitutos de las baterías de fosfato de hierro y litio y se usan ampliamente en muchos campos, como vehículos eléctricos de baja gama, autobuses eléctricos comerciales e incluso vehículos con batería de dos ruedas.

En la conferencia de prensa, CATL también propuso una solución técnica para mezclar baterías de iones de sodio y baterías ternarias de litio en una proporción de 2:1, y controló con precisión las dos baterías a través de un excelente BMS (sistema de gestión de baterías). Lógicamente, la curva del nivel de descarga permite instalar baterías de iones de sodio en vehículos eléctricos de alta gama con requisitos de resistencia más estrictos.

Surgen múltiples soluciones técnicas

Según la visión del país de alcanzar un pico de emisiones de carbono en 2030 y lograr la neutralidad de carbono en 2060, la demanda de energía limpia como la solar y la eólica en Occidente también está aumentando aún más. Sin embargo, a diferencia de la energía térmica, la energía limpia puede ajustar dinámicamente la generación de energía según la carga. Si la energía generada no se utiliza a tiempo, sólo puede tratarse como "energía abandonada".

Se entiende que en 2018, mi país abandonó la electricidad lumínica, eólica y hidráulica por un total de 102.200 millones de kWh, lo que es realmente un enorme desperdicio. Para conectar de forma estable la electricidad generada con energía limpia a la red eléctrica, es necesario establecer "centrales eléctricas de almacenamiento de energía" a gran escala.

Tomemos como ejemplo la central eléctrica de almacenamiento por bombeo más grande del país, construida en Yangjiang, Guangdong, hace algún tiempo. Su principio básico es utilizar el exceso de electricidad durante el período pico de energía urbana para bombear agua. Se bombea a un lugar alto y luego se libera el agua para generar electricidad durante los períodos de mayor consumo de energía. Esto puede considerarse como una batería recargable gigante que realiza tareas como reducción de picos, llenado de valles y respaldo de emergencia en la red eléctrica.

Esta tarea también se puede lograr con baterías de iones de sodio que son de bajo costo, relativamente altas en densidad de energía e insensibles a la temperatura ambiente.

Entonces, ¿son las baterías de iones de sodio el futuro de los vehículos de nuevas energías? De hecho, las soluciones actuales de baterías eléctricas para vehículos de nueva energía, incluidas las baterías ternarias de litio y las baterías de fosfato de hierro y litio, entran todas en la categoría de "baterías líquidas", que requieren "electrolitos" líquidos como medio para que los iones viajen sin obstáculos.

De hecho, existe otra solución de "batería de estado sólido" para baterías de energía que está a punto de lanzarse al mercado. Como su nombre indica, utiliza un electrolito que es sólido a temperatura ambiente. medio para transferir iones. En general, se cree que el límite superior de densidad de almacenamiento de energía de las baterías líquidas es de 350 Wh/kg, mientras que se espera que la densidad de energía de las baterías de estado sólido alcance los 1000 Wh/kg.

Los electrolitos sólidos son muy estables y básicamente eliminan el riesgo de explosión térmica. La industria los considera la dirección de desarrollo de las futuras baterías eléctricas. Muchos fabricantes nacionales de baterías también se han dedicado a esta vía durante muchos años. En la actualidad, también están apareciendo por todas partes trabajos de investigación teórica sobre nuevos materiales para baterías de estado sólido. Creo que la era de las baterías de estado sólido no está lejos de nosotros.

Anteriormente, la industria de vehículos de nueva energía había hecho una predicción audaz de que el punto de inflexión para que los vehículos de nueva energía reemplacen completamente a los vehículos de combustible se produciría cuando la densidad de energía de las baterías alcance los 400 Wh/kg. En la actualidad, muchos países del mundo también han anunciado que 2030 será el nodo temporal para una prohibición total de la venta y producción de vehículos de combustible.

Me gustaría finalizar el artículo con una frase del fundador y presidente de CATL, Zeng Yuqun, en la conferencia de lanzamiento de la batería de iones de sodio: "Creemos que el mundo de la electroquímica es como un cubo de Rubik de energía, y el Lo desconocido es mucho más grande que lo conocido. "Creo que la humanidad eventualmente superará varias dificultades en el desarrollo de baterías eléctricas y llevará al mundo a la era de la energía limpia.

Autor | Ma Dianqiu

Producido por Kanshijiazhi New Media