Sodium-Ion Batteries as a Sustainable Alternative to Lithium-Ion Batteries

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-05-27

Department

Major/Subject

Kemian tekniikka ja prosessit

Mcode

CHEM3050

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

34

Series

Abstract

The growing demand for sustainable energy storage solutions has accelerated research into lithium-ion battery (LIB) alternatives. LIBs currently dominate the market due to their high energy density, but their future is challenged by resource scarcity, rising costs, geopolitical supply risks and environmental concerns. Over the past decade, sodium-ion batteries (SIBs) have emerged as a promising candidate due to their reliance on abundant, low-cost materials such as sodium and iron. This bachelor’s thesis is a literature review about current SIB development. The thesis examines their basic structure, working principles, materials and performance metrics in comparison to LIBs. The study focuses on layered oxides and Prussian blue analogues as cathode materials, carbonaceous materials and sodium alloys as anodes, and aqueous, organic, and solid-state electrolytes. Each material is evaluated for its electrochemical properties, practical viability and potential trade-offs. The objective of this thesis is to determine if SIBs could complement or even replace LIBs in certain applications. The battery types are compared based on key performance and safety metrics, including energy density, cycle life, thermal tolerance and potential gas emissions. Cost efficiency and sustainability are also considered as part of the evaluation. Beyond potential applications, this work covers pathways for future development with a focus on commercialization challenges. The findings of this thesis demonstrate that SIBs outperform LIBs in cost efficiency, cycle life, low temperature tolerance and safety. Moreover, advanced SIBs already compete with lithium iron phosphate (LFP) batteries in energy density, though they still lag behind high-energy LIB chemistries. Given this performance gap, SIBs could replace LIBs in applications where energy density is secondary to cost and durability, such as grid energy storage and short-range or slow-speed electric vehicles, especially in colder climates. Nevertheless, future SIB research should prioritize material optimization and cost-effective manufacturing processes to accelerate their global commercialization and integration into the energy transition.

Korkean energiatiheydensä ansiosta litiumioniakut ovat jo pitkään olleet tehokkain akkutyyppi energianvarastointiin, mutta niiden tulevaisuutta uhkaavat raaka-aineiden vähäisyys ja nousevat hinnat. Viime vuosikymmeneltä alkaen kiinnostusta herättäneet natriumioniakut eli suola-akut ovat osoittautuneet lupaavaksi vaihtoehdoksi litiumioniakkujen rinnalle. Litiumioniakuista poiketen ne on valmistettu edullisista ja runsaana esiintyvistä materiaaleista, kuten natriumista ja raudasta. Suola-akkujen suurimpia etuja suorituskyvyn suhteen ovat tällä hetkellä pitkä syklinen käyttöikä ja erinomainen kylmänsietokyky. Tämä opinnäytetyö on kirjallisuuskatsaus natriumioniakkujen nykytilasta. Työ käsittelee niiden toimintaperiaatteita, rakennetta, keskeisiä materiaaleja ja keskimääräistä suorituskykyä. Elektrodimateriaalit on rajattu seuraavasti: katodille kerrokselliset metallioksidit ja preussinsiniset yhdisteet sekä anodille natriumseosteet ja hiilimateriaalit. Lisäksi työ tutkii vesipohjaisia, orgaanisia ja kiinteitä elektrolyyttejä. Materiaalien edut ja rajoitteet käydään läpi ja niitä vertaillaan keskenään. Tutkielman tavoitteena on myös arvioida, millaisissa sovelluksissa natriumioniakut voisivat täydentää litiumioniakkujen käyttöä tai jopa kokonaan korvata ne. Akkuja verrataan keskeisimpien käyttöturvallisuuteen ja suorituskykyyn liittyvien tekijöiden perusteella. Vertailussa huomioidaan myös kustannustehokkuus ja ympäristöystävällisyys. Mahdollisten käyttökohteiden lisäksi työ ottaa kantaa suola-akkujen tulevaisuuden kehityssuuntiin etenkin kaupallistamisen kannalta. Kirjallisuuskatsauksen löydökset korostavat suola-akkujen soveltuvuutta tietyissä käyttökohteissa, mutta ennen kaikkea painottaa tarvetta jatkokehitykselle, jotta akkujen suorituskyky saavuttaisi myös tehokkaimpien litiumioniakkujen tason. Kehittyneimmät suola-akut ovat jo saavuttaneet yhtä korkean energiatiheyden kuin litium-rautafosfaattiakut. Työn tulokset viittaavat vahvasti siihen, että suola-akut soveltuisivat erityisen hyvin laajamittaiseen energianvarastointiin sekä hitaisiin tai lyhyen kantaman sähköautoihin etenkin kylmillä alueilla. Toisaalta natriumioniakkujen tämänhetkiset haasteet, kuten keskimääräisesti heikompi energiatiheys saattavat vaikeuttaa akkujen käyttöönottoa ja hidastaa niiden maailmanlaajuista kaupallistamista.

Description

Supervisor

Aromaa, Jari

Thesis advisor

Hesampour, Mehrdad

Keywords

sodium-ion battery, lithium-ion battery, electrodes, electrolytes, performance, sustainability

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506104398

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM