Proces produkcji baterii sodu: od surowców po gotowe ogniwa
Akumulatory sodu (akumulatory NA) przyciągnęły znaczną uwagę jako obiecująca alternatywa dla akumulatorów litowo-jonowych ze względu na obfitość i niski koszt zasobów sodu. Proces produkcyjny akumulatorów sodowo-jonowych ma wiele podobieństw z akumulatorami litowo-jonowymi, ale istnieją również pewne kluczowe różnice ze względu na unikalne właściwości materiałów na bazie sodu. W tym artykule przedstawiono kluczowe kroki w procesie produkcji baterii sodu.
1. Przygotowanie surowców
Materiały katodowe
Wspólne materiały katodowe dla akumulatorów sodu-jonowych obejmują tlenki warstwowe (NAXTMO2, gdzie TM=metal przejściowy), związki polianionowe (takie jak Na3V2 (PO4) 3) i pruski niebieskie analogi. Materiały te są syntetyzowane poprzez reakcję w stanie stałym, procesy zol-żel lub metody współtrojenia.
Materiały anodowe
Twardy węgiel pochodzący z biomasy lub wysokości jest najczęściej stosowanym materiałem anodowym do akumulatorów sodu. Prekursory twardego węgla są zwęglone w wysokich temperaturach (zwykle 1000-1300), aby stworzyć nieuporządkowaną strukturę węglową odpowiednią do magazynowania sodu.
Elektrolit
Elektrolit zwykle składa się z soli sodu (takich jak NaClo4, Napf6 lub NATFSI) rozpuszczone w rozpuszczalnikach na bazie węglanu (EC, DMC, PC). Rozwijają się również elektrolity w stanie stałym, w tym materiały na bazie nasikonowe i siarczkowe.
Separator
Separatory polietylenu (PE) i polipropylenu (PP), powszechnie stosowane w akumulatorach litowo-jonowych, mogą być również stosowane do akumulatorów sodu, chociaż kompatybilność z elektrolitami Na-jonowymi jest dokładnie oceniana.
2. Proces powlekania elektrod
Przygotowanie zawiesiny
Aktywne materiały (katoda i anoda), dodatki przewodzące (sadzy) i spoiwa (takie jak PVDF, CMC lub SBR) są mieszane z rozpuszczalnikami (NMP dla katody, wody dla anody), aby stworzyć jednolity zawiesinę.
Powłoka
Zawiesina jest równomiernie pokryta folią aluminiową (katodą) i folii miedzi (anodą). W przypadku niektórych akumulatorów sodu jonowe oba elektrody mogą używać folii aluminiowej, w zależności od właściwości okna napięcia i materiału.
Wysuszenie
Powleczone elektrody są suszone w piecach w celu usunięcia resztkowych rozpuszczalników. Temperatura suszenia i czas trwania są starannie kontrolowane, aby zapobiec degradacji materiału.
3. Kalendarz elektrod
Po wysuszeniu elektrody przechodzą przez parę precyzyjnych wałków, aby osiągnąć jednolitą grubość, poprawić gęstość i zapewnić dobry kontakt między aktywnymi materiałami i bieżnikami.
4. Cutowanie i układanie elektrody
Elektrody są krojone w pożądane kształty (zwykle prostokątne dla komórek torebek lub cylindryczne dla komórek cylindrycznych). Elektroda dodatnia, separator i elektroda ujemna są ułożone lub ranowane w formacie końcowego komórki.
5. Zespół komórek
Komórki torebki
Warstwy separatora elektrody ułożone są w stos ułożonych w elektrodach aluminiowo-plastycznej. Elektrolit jest wstrzykiwany do woreczki, a woreczka jest uszczelniona ciepłem, aby zapobiec wyciekom.
Komórki cylindryczne i pryzmatyczne
Zespół elektrody ran jest wstawiany do metalowej puszki. Dodaje się elektrolit, a następnie uszczelnienie za pomocą czapki.
6. Proces formacji
Złożone komórki ulegają początkowemu procesowi ładowania, zwanego tworzeniem. Ten krok pozwala utworzyć warstwę solidnego interfejsu elektrolitu (SEI) na powierzchni anody, co ma kluczowe znaczenie dla stabilności baterii. Protokoły tworzenia akumulatorów sodu mogą różnić się nieznacznie od komórek litowo-jonowych z powodu różnych chemii SEI.
7. Starzenie się i testowanie
Po utworzeniu komórki są do starzenia się przez kilka dni w celu ustabilizowania ich wewnętrznej chemii. Każda komórka przechodzi testy kontroli jakości, w tym kontrole zdolności, pomiary oporności wewnętrznej, wykrywanie upływu i testy bezpieczeństwa.
8. Zespół modułu i pakietu
Testowane ogniwa są montowane w modułach i pakietach akumulatorów. Systemy zarządzania akumulatorami (BMS) są zintegrowane w celu monitorowania napięcia, temperatury i prądu w celu zapewnienia bezpiecznej pracy.
Kluczowe różnice w stosunku do produkcji baterii litowo-jonowej
| Krok procesu | Bateria litowo-jonowa | Bateria sodowo-jonowa |
| Materiał katody | LICOO2, NMC, LFP | Warstwowe tlenki, pruski błękit, polianiony |
| Materiał anodowy | Grafit | Twardy węgiel |
| Elektrolit | LIPF6 w rozpuszczalnikach węglanowych | NAPF6, NATFSI w rozpuszczalnikach węglanowych |
| Obecni kolekcjonerzy | Miedź (anoda), aluminium (katoda) | Aluminium dla obu (w niektórych przypadkach) |
| Protokół formacji | Standard dla lit-jon | Dostosowane do tworzenia Sodu SEI |
Wniosek
Proces produkcji baterii sodowo-jonowej wykorzystuje większość istniejącej infrastruktury baterii litowo-jonowej, dzięki czemu producentom jest stosunkowo łatwy. Jednak materiały sodu jonowe wykazują różne właściwości elektrochemiczne i fizyczne, wymagające pewnych regulacji preparatu zawiesiny, selekcji elektrolitów i protokołów formowania. Ponieważ technologia sodowo-jonowa nadal dojrzewa, jego przewaga kosztowa i liczebność surowców mogą sprawić, że będzie silnym konkurentem w zakresie magazynowania energii na dużą skalę.
