Натрий - ионные аккумуляторы (SIBS), новое решение для накопления энергии, представляют собой тип перезаряжаемых батарей, в основе которых лежит перемещение ионов натрия между положительным и отрицательным электродами в процессе зарядки и разрядки. Они работают по принципу "кресла-качалки", аналогичному литий-ионным аккумуляторам. Во время зарядки ионы натрия (Na+) извлекаются из положительного электрода (катода), проходят через электролит и попадают в отрицательный электрод (анод). В то же время электроны перемещаются по внешней цепи от катода к аноду, чтобы поддерживать нейтральность заряда. При разрядке ионы натрия перемещаются обратно от анода к катоду, а электроны движутся в обратном направлении по внешней цепи, обеспечивая электрическую энергию. Например, в типичной натрий - ионной аккумуляторной системе катод может быть изготовлен из богатого натрием оксида переходного металла, такого как nacoo₂, а анод может быть из твердого материала на основе углерода. По мере зарядки аккумулятора ионы натрия покидают катод nacoo₂ и попадают на твердоуглеродистый анод, накапливая энергию в процессе работы.
Эта статья посвящена тенденциям применения и преимуществам натрий-ионных аккумуляторов в двух конкретных областях: солнечные уличные фонари и аккумуляторы для запуска мотоциклов. Замечательные характеристики натрий-ионных аккумуляторов при высоких и низких температурах позволяют им эффективно функционировать в широком диапазоне температур окружающей среды, от экстремально холодных регионов до изнуряюще жарких зон. Их уникальная особенность - возможность хранения и транспортировки при температуре 0°C - не только упрощает логистический процесс, но и повышает безопасность при транспортировке. Эти характеристики имеют большое значение в контексте уличных фонарей на солнечной энергии и аккумуляторов для запуска мотоциклов, поскольку они могут решить проблемы, связанные с различными условиями использования и хранения, и, как ожидается, откроют новые возможности для развития в этих двух областях применения.
В последние годы на рынке солнечного уличного освещения наблюдается заметный рост. Согласно маркетинговым исследованиям, объем мирового рынка уличного солнечного освещения за последние несколько лет значительно вырос, и, по прогнозам, в течение прогнозируемого периода совокупный годовой темп роста (CAGR) составит 15%. В 2023 году объем рынка достиг 150 миллиардов долларов, и ожидается его дальнейшее расширение за счет увеличения инвестиций в инфраструктуру возобновляемых источников энергии, особенно в развивающихся странах. Например, в таких странах, как Индия и некоторые африканские государства, правительственные инициативы по электрификации сельских районов и проекты "умных городов" стимулируют спрос на уличные фонари на солнечных батареях.
Однако существующие технологии производства аккумуляторов, используемые в уличных фонарях на солнечных батареях, имеют ряд ограничений. Традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы, которые до сих пор широко используются в некоторых системах солнечного уличного освещения, имеют относительно короткий срок службы, обычно составляющий от 300 до 500 циклов. Кроме того, они обладают низкой плотностью энергии, что означает, что для хранения того же количества энергии им требуются более крупные и тяжелые аккумуляторные батареи по сравнению с более совершенными аккумуляторами с химическим составом. Это не только увеличивает затраты на установку и техническое обслуживание, но и ограничивает общую эффективность солнечной системы уличного освещения. Литий-ионные аккумуляторы, хотя и являются более совершенными, сталкиваются с такими проблемами, как высокая стоимость, особенно из-за дефицита и дороговизны литиевых ресурсов. Кроме того, их характеристики значительно ухудшаются при экстремальных температурах, как высоких, так и низких. В холодных регионах емкость литий- ионных аккумуляторов может снижаться на 30-50% при температуре ниже -20°C, что сокращает время работы и надежность уличных фонарей на солнечной энергии.
Натрий- ионные аккумуляторы обладают отличными характеристиками при высоких и низких температурах, что имеет решающее значение для солнечных уличных фонарей, работающих в различных климатических условиях. Эти аккумуляторы могут эффективно работать в широком температурном диапазоне, от экстремально холодных регионов с температурой до -40°C до жарких регионов с температурой до 80°C. В условиях холодного климата подвижность ионов натрия в структуре батареи снижается в меньшей степени по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. В результате емкость аккумулятора остается относительно высокой. Например, при температуре -20°C хорошо сконструированный натрий-ионный аккумулятор может поддерживать более 85% своей емкости при комнатной температуре, гарантируя, что уличные фонари на солнечных батареях смогут обеспечивать стабильное освещение даже в суровые зимы.
В условиях высоких температур ионно-натриевые аккумуляторы также демонстрируют лучшую стабильность. Они менее подвержены термическому разгону, опасному состоянию, при котором батарея перегревается и потенциально может загореться или взорваться, что является проблемой для литий-ионных аккумуляторов при высоких температурах. Такая устойчивость к высоким и низким температурам гарантирует, что уличные фонари на солнечных батареях, оснащенные натрий-ионными батареями, могут надежно работать в течение всего года, независимо от местного климата, тем самым повышая общую эффективность и срок службы системы освещения.
Уникальная особенность натрий- ионных аккумуляторов, которые можно хранить и транспортировать при напряжении 0 В, дает значительные преимущества индустрии уличного солнечного освещения. При традиционном хранении и транспортировке солнечных уличных фонарей, особенно литий-ионных аккумуляторов, их необходимо хранить при определенном уровне заряда (SOC), чтобы предотвратить повреждение элементов батареи. Это требует тщательного контроля и управления во время хранения и транспортировки, что увеличивает сложность и стоимость.
Однако натрий- ионные аккумуляторы можно хранить и транспортировать при напряжении 0 В, что упрощает логистический процесс. Нет необходимости в сложном управлении зарядкой и разрядкой перед хранением или после транспортировки. Это не только снижает риск повреждения аккумулятора при хранении и транспортировке, но и сокращает связанные с этим расходы, такие как необходимость в специализированных складских помещениях и транспортном оборудовании для поддержания SOC аккумулятора. Для крупномасштабных проектов по установке солнечных уличных фонарей, где необходимо перевозить большое количество батарей в разные места, эта функция хранения и транспортировки с напряжением 0 В может привести к существенной экономии времени и денег.
Экономичность - одно из главных преимуществ натрий-ионных аккумуляторов для солнечных уличных фонарей. Натрий является распространенным элементом, широко распространенным в земной коре, и затраты на его добычу и производство относительно низки по сравнению с литием. Процесс производства натрий- ионных аккумуляторов также потенциально может быть более экономичным благодаря своей простоте. В результате общая стоимость натрий- ионных аккумуляторов может быть значительно ниже, чем у литий-ионных, что является решающим фактором для чувствительного к затратам рынка уличного солнечного освещения. Снижение стоимости аккумуляторных батарей может привести к снижению общей стоимости систем уличного освещения на солнечных батареях, что сделает их более доступными для широкого внедрения, особенно в развивающихся регионах с ограниченными бюджетными возможностями.
Что касается срока службы, то натрий- ионные аккумуляторы могут работать относительно долго, обычно 1000-2000 циклов. Это намного дольше, чем у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов. Более длительный срок службы означает, что солнечные уличные фонари нуждаются в менее частой замене батарей, что сокращает расходы на техническое обслуживание и время простоя системы освещения. Например, если ожидается, что система уличного освещения на солнечной энергии будет работать в течение 10-15 лет, натрий-ионная батарея с длительным сроком службы может обеспечить стабильную работу в течение всего этого периода без необходимости частой замены батарей, чего нельзя сказать о батареях с более коротким сроком службы, таких как свинцово-кислотные.
Кроме того, натрий- ионные аккумуляторы более экологичны. Материалы, используемые при их производстве, как правило, нетоксичны и менее вредны для окружающей среды по сравнению с некоторыми тяжелыми металлами и токсичными веществами, присутствующими в традиционных аккумуляторах. Это согласуется с растущим глобальным вниманием к решениям в области устойчивой и зеленой энергетики, что делает натрий- ионные аккумуляторы привлекательным выбором для использования в уличных солнечных фонарях с экологической точки зрения.
Ожидается, что в ближайшие годы применение натрий-ионных аккумуляторов на рынке солнечных уличных фонарей будет демонстрировать значительную тенденцию к росту. По мере совершенствования технологии и повышения экономической эффективности доля солнечных уличных фонарей, оснащенных натрий-ионными батареями, на рынке будет неуклонно увеличиваться. Подсчитано, что в ближайшие 5-10 лет доля рынка солнечных уличных фонарей на натриево-ионных батареях может достичь 30%, постепенно вытесняя некоторые традиционные уличные фонари на солнечных батареях.
Область применения солнечных уличных фонарей с натрий-ионными батареями также, вероятно, будет расширяться. В настоящее время солнечные уличные фонари в основном используются на городских дорогах, в парках и некоторых сельских районах. В будущем, с развитием концепций "умного города", уличные фонари на солнечных батареях с натриево-ионным питанием могут быть интегрированы в более сложные системы городской инфраструктуры. Они могут быть оснащены датчиками для мониторинга окружающей среды, транспортных потоков и других функций, становясь важной частью Интернета вещей (IoT) в городах. Кроме того, в отдаленных районах с ограниченным доступом к электросетям, таких как пустыни, горы и острова, надежная работа натрий-ионных аккумуляторов в различных условиях делает уличные фонари на солнечных батареях идеальным выбором для создания осветительных решений, что еще больше расширяет рыночный потенциал.
