Natrio jonų akumuliatorių gamybos procesas: nuo žaliavų iki gatavų ląstelių
Natrio jonų baterijos (NA-jonų baterijos) sulaukė didelio dėmesio kaip perspektyvi ličio jonų baterijų alternatyva dėl gausos ir mažos natrio išteklių kainos. Natrio jonų akumuliatorių gamybos procesas turi daug panašumų su ličio jonų baterijomis, tačiau taip pat yra keletas pagrindinių skirtumų dėl unikalių natrio pagrindu pagamintų medžiagų savybių. Šiame straipsnyje aprašomi pagrindiniai natrio jonų akumuliatorių gamybos proceso veiksmai.
1. Žaliavų paruošimas
Katodų medžiagos
Įprastos katodo medžiagos natrio jonų baterijoms yra sluoksniuoti oksidai (Naxtmo2, kur TM=pereinamasis metalas), polianioniniai junginiai (tokie kaip Na3v2 (PO4) 3) ir Prūsijos mėlynos spalvos analogai. Šios medžiagos sintetinamos naudojant kietojo kūno reakciją, sol-gelio procesus ar bendros precipitacijos metodus.
Anodų medžiagos
Iš biomasės ar žingsnio gauta kieta anglis yra plačiausiai naudojama anodų medžiaga natrio jonų baterijoms. Kietos anglies pirmtakai yra karbonizuoti aukštoje temperatūroje (paprastai 1000-1300 laipsnis), kad būtų sukurta netvarkinga anglies struktūra, tinkanti laikyti natrio jonų laikymui.
Elektrolitas
Elektrolitą paprastai sudaro natrio druskos (tokios kaip NaClo4, NAPF6 ar Natfsi), ištirpintos karbonato pagrindu pagamintuose tirpikliuose (EC, DMC, PC). Taip pat kuriami kietojo kūno elektrolitai, įskaitant Nasicon ir sulfido pagrindu pagamintas medžiagas.
Separatorius
Polietileno (PE) ir polipropileno (PP) separatoriai, dažniausiai naudojami ličio jonų akumuliatoriuose, taip pat gali būti naudojami natrio jonų baterijoms, nors suderinamumas su Na-jonų elektrolitais yra kruopščiai įvertintas.
2. Elektrodo padengimo procesas
Srutų paruošimas
Aktyviosios medžiagos (katodas ir anodas), laidūs priedai (anglies juodi) ir rišikliai (pvz., PVDF, CMC arba SBR) yra sumaišytos su tirpikliais (NMP katodui, vandeniui anodui), kad sukurtų vienodą srutą.
Danga
Suspensija tolygiai padengta ant aliuminio folijos (katodo) ir vario folijos (anodas). Kai kurioms natrio jonų akumuliatoriams abu elektrodai gali naudoti aliuminio foliją, atsižvelgiant į įtampos langą ir medžiagų savybes.
Džiovinimas
Padengti elektrodai džiovinami krosnelėmis, kad pašalintų likusius tirpiklius. Džiovinimo temperatūra ir trukmė yra kruopščiai kontroliuojamos, kad būtų išvengta medžiagų skaidymo.
3. Elektrodo kalendavimas
Po džiovinimo elektrodai praeina per tikslus ritinėlių porą, kad pasiektų vienodo storio, pagerintų tankį ir užtikrintų gerą aktyvių medžiagų ir dabartinių kolekcininkų kontaktą.
4. Elektrodų pjaustymas ir krovinys
Elektrodai supjaustyti į norimas formas (paprastai stačiakampis maišelio ląstelėms arba cilindrinėms cilindrinėms ląstelėms). Teigiamas elektrodas, separatorius ir neigiamas elektrodas yra sukrauti arba suvynioti į galutinę ląstelės formatą.
5. Ląstelių surinkimas
Maišelio ląstelės
Sukrovę elektrodų-skaidrumo sluoksniai yra uždengti aliuminio plastikiniu maišeliu. Elektrolitas įšvirkščiamas į maišelį, o maišelis yra užliejamas šilumai, kad būtų išvengta nuotėkio.
Cilindrinės ir prizminės ląstelės
Žaizdos elektrodo mazgas įkišamas į metalinę skardinę. Pridedamas elektrolitas, po to sandarinimas dangteliu.
6. Formavimo procesas
Surinktos ląstelės vykdo pradinį įkrovimo procesą, žinomą kaip formavimasis. Šis žingsnis leidžia kietos elektrolito sąsajos (SEI) sluoksniui susidaryti ant anodo paviršiaus, o tai yra labai svarbus akumuliatoriaus stabilumui. Natrio jonų baterijų formavimo protokolai gali šiek tiek skirtis nuo ličio jonų ląstelių dėl skirtingų SEI chemikų.
7. Senėjimas ir testavimas
Po susidarymo ląstelės kelioms dienoms paliekamas senstant, kad stabilizuotų jų vidinę chemiją. Kiekviena ląstelė atlieka kokybės kontrolės testus, įskaitant talpos patikrinimus, vidinius pasipriešinimo matavimus, nuotėkio aptikimą ir saugos bandymus.
8. Modulio ir pakuotės surinkimas
Išbandytos ląstelės surinktos į modulius ir akumuliatorių pakuotes. Akumuliatorių valdymo sistemos (BMS) yra integruotos, kad būtų galima stebėti įtampą, temperatūrą ir srovę, kad būtų užtikrintas saugus veikimas.
Pagrindiniai skirtumai nuo ličio jonų akumuliatorių gamybos
| Proceso žingsnis | Ličio jonų akumuliatorius | Natrio jonų akumuliatorius |
| Katodo medžiaga | „Licoo2“, NMC, LFP | Sluoksniuoti oksidai, prūsijos mėlynos, polianionai |
| Anodinė medžiaga | Grafitas | Kieta anglis |
| Elektrolitas | LIPF6 karbonato tirpikliuose | NAPF6, NATFSI karbonato tirpikliuose |
| Dabartiniai kolekcionieriai | Varis (anodas), aliuminis (katodas) | Aliuminis abiem (kai kuriais atvejais) |
| Formavimo protokolas | Li-jonų standartas | Pritaikyta natrio SEI formavimui |
Išvada
Natrio jonų akumuliatorių gamybos procesas panaudoja didžiąją dalį esamos ličio jonų akumuliatorių infrastruktūros, todėl gamintojams tai yra gana lengva. Tačiau natrio jonų medžiagos pasižymi skirtingomis elektrocheminėmis ir fizinėmis savybėmis, todėl reikia šiek tiek koreguoti srutų formuluotės, elektrolitų parinkimo ir formavimo protokolus. Kadangi natrio jonų technologijos ir toliau brandinamos, jos pranašumas ir žaliavos gausa gali padaryti ją stiprų konkurentą didelio masto energijos kaupimo programose.
