Процес на производство на натриево-йонни батерии: от суровини до готови клетки
Натриево-йонните батерии (Na-йонни батерии) привлечеха значително внимание като обещаваща алтернатива на литиево-йонните батерии поради изобилието и ниската цена на натриевите ресурси. Производственият процес на натриево-йонни батерии споделя много прилики с литиево-йонните батерии, но има и някои ключови разлики поради уникалните свойства на материалите на натриева основа. Тази статия очертава ключовите стъпки в процеса на производство на натриево-йонни батерии.
1. Подготовка на суровини
Катодни материали
Общите катодни материали за натриево-йонни батерии включват слоести оксиди (Naxtmo2, където TM=преходен метал), полианионни съединения (като Na3v2 (PO4) 3) и пруски сини аналози. Тези материали се синтезират чрез твърдо състояние на реакция, процеси на сол-гел или методи за съвместно утаяване.
Анодни материали
Твърд въглерод, получен от биомаса или стъпка, е най-широко използваният аноден материал за натриево-йонни батерии. Твърдите въглеродни прекурсори се карбонизират при високи температури (обикновено 1000-1300 градус), за да се създаде нарушена въглеродна структура, подходяща за съхранение на натриево-йони.
Електролит
Електролитът обикновено се състои от натриеви соли (като NACLO4, NAPF6 или NATFSI), разтворени в базирани на карбонат разтворители (EC, DMC, PC). Електролитите от твърдо състояние, включително материали на базата на Nasicon и сулфид, също се разработват.
Сепаратор
Полиетилен (PE) и полипропилен (PP) сепаратори, често използвани в литиево-йонни батерии, могат да се прилагат и за натриево-йонни батерии, въпреки че съвместимостта с Na-йонните електролити се оценява внимателно.
2. Процес на електродно покритие
Подготовка на суспензия
Активните материали (катод и анод), проводими добавки (въглеродни черни) и свързващи вещества (като PVDF, CMC или SBR) се смесват с разтворители (NMP за катод, вода за анод), за да се създаде равномерна каша.
Покритие
Слушанието е равномерно покрита върху алуминиево фолио (катод) и медно фолио (анод). За някои натриево-йонни батерии и двата електрода могат да използват алуминиево фолио, в зависимост от прозореца на напрежението и свойствата на материала.
Изсушаване
Покритите електроди се изсушават в фурни, за да се отстранят остатъчните разтворители. Температурата и продължителността на сушене се контролират внимателно, за да се предотврати разграждането на материала.
3. Електроден календаринг
След изсушаване, електродите преминават през чифт прецизни ролки, за да постигнат еднаква дебелина, да подобрят плътността и да осигурят добър контакт между активните материали и колекционерите на тока.
4. Рязане и подреждане на електрода
Електродите се нарязват на желаните форми (обикновено правоъгълни за клетките на торбичката или цилиндрични за цилиндрични клетки). Положителният електрод, сепаратор и отрицателен електрод са подредени или навити в крайния формат на клетката.
5. Клетъчен сбор
Клетки за торби
Подредените слоеве на електродно-отделни части са затворени в алуминиево-пластична торбичка. Електролитът се инжектира в торбичката, а торбичката се запечата с топлина, за да се предотврати изтичане.
Цилиндрични и призматични клетки
Монтажът на електрода на раната е поставен в метална кутия. Добавя се електролит, последван от уплътняване с капачка.
6. Процес на формиране
Сглобените клетки претърпяват първоначален процес на зареждане, известен като образуване. Тази стъпка позволява да се образува слоят на твърдия електролитен интерфейс (SEI) върху повърхността на анода, което е от решаващо значение за стабилността на батерията. Протоколите за образуване на натриево-йонни батерии могат да се различават леко от литиево-йонните клетки поради различни SEI химикали.
7. Стареене и тестване
След образуването клетките се оставят да остаряват в продължение на няколко дни, за да стабилизират вътрешната си химия. Всяка клетка се подлага на тестове за контрол на качеството, включително проверки на капацитета, измервания на вътрешно съпротивление, откриване на течове и тестове за безопасност.
8. Монтаж на модул и опаковки
Тестваните клетки се сглобяват в модули и батерии. Системите за управление на батерията (BMS) са интегрирани за наблюдение на напрежението, температурата и тока, за да се осигури безопасна работа.
Основни разлики от производството на литиево-йонни батерии
| Стъпка на процеса | Литиево-йонна батерия | Натриево-йонна батерия |
| Катоден материал | Licoo2, NMC, Lfp | Слоести оксиди, пруски синьо, полианиони |
| Аноден материал | Графит | Твърд въглерод |
| Електролит | Lipf6 в карбонатни разтворители | NAPF6, NATFSI в карбонатни разтворители |
| Текущи колекционери | Мед (анод), алуминий (катод) | Алуминий и за двете (в някои случаи) |
| Протокол за формиране | Стандарт за Li-йон | Пригоден за образуване на натриев SEI |
Заключение
Процесът на производство на натриево-йонни батерии използва голяма част от съществуващата литиево-йонна батерия инфраструктура, което прави сравнително лесно да се приемат производителите. Въпреки това, натриево-йонните материали проявяват различни електрохимични и физични свойства, изискващи някои корекции в състава на суспензията, избора на електролити и протоколите за формиране. Тъй като натриево-йонната технология продължава да узрява, нейното предимство на разходите и изобилието на суровини биха могли да го направят силен конкурент в мащабните приложения за съхранение на енергия.
