Nātrija jonu akumulatora ražošanas process: no izejvielām līdz gatavām šūnām
Nātrija jonu baterijas (Na-Ion baterijas) ir piesaistījušas ievērojamu uzmanību kā daudzsološa alternatīva litija jonu baterijām, ņemot vērā nātrija resursu pārpilnību un zemās izmaksas. Nātrija jonu akumulatoru ražošanas procesam ir daudz līdzību ar litija jonu baterijām, taču ir arī dažas galvenās atšķirības, ņemot vērā nātrija bāzes materiālu unikālās īpašības. Šajā rakstā ir aprakstīti galvenie soļi nātrija jonu akumulatora ražošanas procesā.
1. Izejvielu sagatavošana
Katoda materiāli
Parastie katodu materiāli nātrija jonu baterijām ietver slāņainus oksīdus (naxtmo2, kur TM=pārejas metāls), polianionu savienojumi (piemēram, Na3v2 (PO4) 3) un Prūsijas zilie analogi. Šie materiāli tiek sintezēti, izmantojot cietvielu reakciju, sola-gēla procesus vai līdzpiegāšanas metodes.
Anoda materiāli
Cietais ogleklis, kas iegūts no biomasas vai solis, ir visplašāk izmantotais anoda materiāls nātrija jonu baterijām. Cietā oglekļa prekursori tiek karbonizēti augstā temperatūrā (parasti 1000-1300 pakāpe), lai izveidotu nesakārtotu oglekļa struktūru, kas piemērota nātrija jonu uzglabāšanai.
Elektrolīts
Elektrolīts parasti sastāv no nātrija sāļiem (piemēram, NaCLO4, NAPF6 vai NATFSI), kas izšķīdināti uz karbonātu bāzes šķīdinātājiem (EK, DMC, PC). Tiek izstrādāti arī cietvielu elektrolīti, ieskaitot NASICON un sulfīdu bāzes materiālus.
Separators
Polietilēna (PE) un polipropilēna (PP) separatorus, ko parasti izmanto litija jonu akumulatoros, var arī uzklāt uz nātrija jonu baterijām, lai gan ir rūpīgi novērtēta saderība ar Na-jonu elektrolītiem.
2. Elektrodu pārklājuma process
Vircas sagatavošana
Aktīvie materiāli (katods un anods), vadītspējīgās piedevas (oglekļa melnā krāsā) un saistvielas (piemēram, PVDF, CMC vai SBR) tiek sajauktas ar šķīdinātājiem (NMP katodam, ūdens anodam), lai izveidotu vienotu vircu.
Pārklājums
Virca ir vienmērīgi pārklāta uz alumīnija folijas (katoda) un vara folijas (anodu). Dažām nātrija jonu baterijām abi elektrodi var izmantot alumīnija foliju atkarībā no sprieguma loga un materiāla īpašībām.
Žāvēšana
Pārklātie elektrodi žāvē krāsnīs, lai noņemtu atlikušos šķīdinātājus. Žāvēšanas temperatūru un ilgumu rūpīgi kontrolē, lai novērstu materiāla sadalīšanos.
3. Elektrodu kalendārs
Pēc žāvēšanas elektrodi iziet cauri precīzu veltņu pārim, lai sasniegtu vienmērīgu biezumu, uzlabotu blīvumu un nodrošinātu labu kontaktu starp aktīvajiem materiāliem un strāvas savācējiem.
4. Elektrodu griešana un sakraušana
Elektrodi tiek sagriezti vēlamajās formās (parasti taisnstūrveida maisiņu šūnām vai cilindriskām cilindriskām šūnām). Pozitīvais elektrods, separators un negatīvais elektrods ir sakrauti vai ievainoti gala šūnas formātā.
5. Šūnu montāža
Maisiņu šūnas
Stackotie elektrodu atdalītāja slāņi ir norobežoti alumīnija-plastmasas maisiņā. Elektrolīts tiek ievadīts maisiņā, un maisiņš ir noslēgts ar karstumu, lai novērstu noplūdi.
Cilindriskas un prizmatiskas šūnas
Brūces elektrodu komplekts tiek ievietots metāla kannā. Pievieno elektrolītu, kam seko blīvēšana ar vāciņu.
6. Veidošanās process
Samontētās šūnas notiek sākotnējā uzlādes procesā, kas pazīstama kā veidošanās. Šis solis ļauj cietā elektrolīta interfeisa (SEI) slānim veidoties uz anoda virsmas, kas ir kritiska akumulatora stabilitātei. Nātrija jonu bateriju veidošanās protokoli var nedaudz atšķirties no litija jonu šūnām dažādu SEI ķīmiju dēļ.
7. Novecošana un pārbaude
Pēc veidošanās šūnas vairākas dienas tiek atstātas novecot, lai stabilizētu to iekšējo ķīmiju. Katrā šūnā tiek veikti kvalitātes kontroles testi, ieskaitot jaudas pārbaudes, iekšējās pretestības mērījumus, noplūdes noteikšanu un drošības testus.
8. Modulis un iepakojuma komplekts
Pārbaudītās šūnas ir saliktas moduļos un akumulatoros. Akumulatora pārvaldības sistēmas (BMS) ir integrētas, lai uzraudzītu spriegumu, temperatūru un strāvu, lai nodrošinātu drošu darbību.
Galvenās atšķirības no litija jonu akumulatora ražošanas
| Procesa solis | Litija jonu akumulators | Nātrija jonu akumulators |
| Katoda materiāls | Licoo2, NMC, LFP | Slāņaini oksīdi, Prūsijas zilie, polianioni |
| Anoda materiāls | Grafīts | Ciets ogleklis |
| Elektrolīts | Lipf6 karbonātu šķīdinātājos | NAPF6, NATFSI karbonātu šķīdinātājos |
| Pašreizējie kolekcionāri | Vara (anods), alumīnijs (katods) | Alumīnijs abiem (dažos gadījumos) |
| Veidošanās protokols | Li-jonu standarts | Pielāgots nātrija Sei veidošanai |
Secinājums
Nātrija jonu akumulatoru ražošanas process izmanto lielu daļu no esošās litija jonu akumulatora infrastruktūras, padarot ražotājiem salīdzinoši vieglu. Tomēr nātrija jonu materiāliem ir atšķirīgas elektroķīmiskās un fizikālās īpašības, kurām ir nepieciešami daži pielāgojumi vircas formulējumā, elektrolītu atlasē un veidošanās protokolos. Tā kā nātrija jonu tehnoloģija turpina nobriest, tās izmaksu priekšrocības un izejvielu pārpilnība varētu padarīt to par spēcīgu konkurentu liela mēroga enerģijas uzglabāšanas lietojumos.
