Proces proizvodnje natrijeve-ionske baterije: od surovin do končnih celic
Natrijeve-ionske baterije (Na-ionske baterije) so pritegnile veliko pozornost kot obetavna alternativa litij-ionskim baterijam zaradi številčnosti in nizkih stroškov natrijevih virov. Proces proizvodnje natrijevih-ionskih baterij ima veliko podobnosti z litij-ionskimi baterijami, vendar obstajajo tudi nekatere ključne razlike zaradi edinstvenih lastnosti materialov na natriju. Ta članek opisuje ključne korake v postopku proizvodnje natrijevih ionskih baterij.
1. priprava surovin
Katodni materiali
Običajni katodni materiali za natrijeve-ionske baterije vključujejo večplastne okside (NaxtMO2, kjer TM=prehodna kovina), polianionske spojine (kot je Na3V2 (PO4) 3) in pruske modre analoge. Ti materiali se sintetizirajo s trdno reakcijo, sol-gel procesi ali metodami so-precipitacije.
Anodni materiali
Trdi ogljik, pridobljen iz biomase ali naklona, je najpogosteje uporabljen anodni material za natrijeve-ionske baterije. Trdi predhodniki ogljika so karbonizirani pri visokih temperaturah (običajno 1000-1300), da ustvarijo neurejeno ogljikovo strukturo, primerno za shranjevanje natrijevega iona.
Elektrolit
Elektrolit običajno sestavljajo natrijeve soli (kot so NaClo4, NACF6 ali NATFSI), raztopljenega v topilih na osnovi karbonata (EC, DMC, PC). V razvoju so tudi elektroliti v trdnem stanju, vključno z materiali na osnovi Nasicona in sulfida.
Ločevalnik
Polietilen (PE) in polipropilenski (PP) se ločijo, ki se običajno uporabljajo v litij-ionskih baterijah, lahko nanesemo tudi na natrij-ionske baterije, čeprav se združljivost z Na-ionskimi elektroliti skrbno oceni.
2. postopek prevleke z elektrodo
Priprava gnoja
Aktivni materiali (katoda in anoda), prevodni aditivi (ogljikova črna) in vezivo (kot so PVDF, CMC ali SBR) se mešajo s topili (NMP za katodo, voda za anodo), da ustvarijo enakomerno gnojenje.
Prevleka
Puha je enakomerno prevlečena na aluminijasto folijo (katoda) in bakreno folijo (anoda). Za nekatere natrijeve baterije lahko obe elektrodi uporabljata aluminijasto folijo, odvisno od napetostnega okna in lastnosti materiala.
Sušenje
Obložene elektrode posušijo v pečicah, da odstranijo preostala topila. Temperatura sušenja in trajanje sta skrbno nadzorovana, da se prepreči razpadanje materiala.
3. Elektroda koledaring
Po sušenju elektrode preidejo skozi par natančnih valjev, da dosežejo enakomerno debelino, izboljšajo gostoto in zagotovijo dober stik med aktivnimi materiali in kolektorji tokov.
4. rezanje in zlaganje elektrod
Elektrode so razrezane na želene oblike (običajno pravokotne za vrečke ali cilindrične za valjaste celice). Pozitivna elektroda, separator in negativna elektroda se zložijo ali ranijo v končni format celice.
5. Sklop celic
Vrečke celice
Slaje z zloženimi elektrodami so zaprte v aluminijevo plastično torbico. Elektrolit se vbrizga v torbico, vrečka pa je toplotno zaprta, da prepreči puščanje.
Valjaste in prizmatične celice
Sklop rane elektrode je vstavljen v kovinsko pločevinko. Dodamo elektrolit, ki mu sledi tesnjenje s pokrovčkom.
6. Proces oblikovanja
Sestavljene celice so podvržene začetnemu postopku polnjenja, znanega kot tvorba. Ta korak omogoča, da se na površini anode nastane plast trdnega elektrolitnega vmesnika (SEI), kar je ključnega pomena za stabilnost baterije. Trditveni protokoli za natrijeve-ionske baterije se lahko zaradi različnih kemij SEI nekoliko razlikujejo od litij-ionskih celic.
7. staranje in testiranje
Po tvorbi se celice več dni pustijo, da se stabilizirajo, da bi stabilizirali svojo notranjo kemijo. Vsaka celica je podvržena preskusom nadzora kakovosti, vključno s preverjanjem zmogljivosti, meritvami notranje odpornosti, odkrivanjem puščanja in varnostnimi testi.
8. modul in sklop pakiranja
Testirane celice so sestavljene v module in baterije. Sistemi za upravljanje baterij (BMS) so integrirani za spremljanje napetosti, temperature in toka, da se zagotovi varno delovanje.
Ključne razlike od proizvodnje litij-ionskih baterij
| Korak procesa | Litij-ionska baterija | Natrijeva-ionska baterija |
| Katodni material | LicoO2, NMC, LFP | Večplastni oksidi, pruska modra, polianioni |
| Anodni material | Grafit | Trdi ogljik |
| Elektrolit | Lipf6 v karbonatnih topilih | NATFSI, NATFSI v karbonatnih topilih |
| Trenutni zbiratelji | Baker (anoda), aluminij (katoda) | Aluminij za oba (v nekaterih primerih) |
| Protokol tvorbe | Standard za li-ion | Prilagojeno za tvorbo natrijevega sei |
Zaključek
Proces proizvodnje natrijeve-ionske baterije izkorišča velik del obstoječe infrastrukture litij-ionske baterije, zaradi česar so proizvajalcem razmeroma enostavni. Vendar imajo natrijevi-ionski materiali različne elektrokemične in fizikalne lastnosti, ki zahtevajo nekatere prilagoditve pri formulaciji gnojev, izbiri elektrolitov in tvorbi. Ker natrijeva-ionska tehnologija še naprej dozoreva, bi lahko njegova stroškovna prednost in številčnost surovin postala močan konkurent v obsežnih aplikacijah za shranjevanje energije.
