Διαδικασία παραγωγής μπαταρίας ιόντων νάτριο: Από πρώτες ύλες έως τελικά κύτταρα

Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου (μπαταρίες ιόντων Na) έχουν προσελκύσει σημαντική προσοχή ως υποσχόμενη εναλλακτική λύση στις μπαταρίες ιόντων λιθίου λόγω της αφθονίας και του χαμηλού κόστους των πόρων νατρίου. Η διαδικασία παραγωγής των μπαταριών ιόντων νατρίου μοιράζεται πολλές ομοιότητες με μπαταρίες ιόντων λιθίου, αλλά υπάρχουν και ορισμένες βασικές διαφορές λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων των υλικών που βασίζονται σε νάτριο. Αυτό το άρθρο περιγράφει τα βασικά βήματα στη διαδικασία κατασκευής μπαταριών ιόντων νατρίου.

Καθόλαια υλικά

Τα κοινά υλικά καθόδου για τις μπαταρίες ιόντων νατρίου περιλαμβάνουν οξείδια στρωματοποιημένα οξείδια (NaxTMO2, όπου TM=μετάλλιο μετάλλων), πολυανονικές ενώσεις (όπως Na3V2 (PO4) 3) και πασικά μπλε ανάλογα. Αυτά τα υλικά συντίθενται μέσω αντίδρασης στερεάς κατάστασης, διεργασιών Sol-Gel ή μεθόδων συν-κατακράτησης.

Υλικά ανόδου

Ο σκληρός άνθρακας που προέρχεται από βιομάζα ή βήμα είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό ανόδου για μπαταρίες ιόντων νατρίου. Οι προδρόμοι του σκληρού άνθρακα ανθρακούνται σε υψηλές θερμοκρασίες (συνήθως 1000-1300 βαθμό) για να δημιουργήσουν μια διαταραγμένη δομή άνθρακα κατάλληλη για αποθήκευση ιόντων νατρίου.

Ηλεκτρολύτης

Ο ηλεκτρολύτης αποτελείται συνήθως από άλατα νατρίου (όπως NaClo4, NATF6 ή NATFSI) που διαλύονται σε διαλύτες με βάση τα ανθρακικά άλατα (EC, DMC, PC). Οι ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης, συμπεριλαμβανομένων των υλικών που βασίζονται σε ρινικό και σουλφίδιο, βρίσκονται επίσης σε εξέλιξη.

Διαχωριστής

Οι διαχωριστές πολυαιθυλενίου (ΡΕ) και πολυπροπυλενίου (ΡΡ), που χρησιμοποιούνται συνήθως σε μπαταρίες ιόντων λιθίου, μπορούν επίσης να εφαρμοστούν σε μπαταρίες ιόντων νατρίου, αν και αξιολογείται προσεκτικά η συμβατότητα με τους ηλεκτρολύτες ιόντων ΝΑ.

Προετοιμασία με πολτό

Τα ενεργά υλικά (κάθοδος και άνοδος), αγώγιμα πρόσθετα (μαύρο άνθρακα) και συνδετικά (όπως PVDF, CMC ή SBR) αναμειγνύονται με διαλύτες (NMP για κάθοδο, νερό για άνοδο) για να δημιουργήσουν μια ομοιόμορφη ιλύνη.

Επένδυση

Ο πολτός είναι ομοιόμορφα επικαλυμμένος με αλουμινόχαρτο (κάθοδο) και φύλλο χαλκού (άνοδος). Για ορισμένες μπαταρίες ιόντων νατρίου, και τα δύο ηλεκτρόδια μπορούν να χρησιμοποιούν αλουμινόχαρτο, ανάλογα με το παράθυρο τάσης και τις ιδιότητες υλικού.

Ξήρανση

Τα επικαλυμμένα ηλεκτρόδια ξηραίνονται σε φούρνους για να απομακρυνθούν οι υπολειμματικοί διαλύτες. Η θερμοκρασία και η διάρκεια της ξήρανσης ελέγχονται προσεκτικά για να αποφευχθεί η υποβάθμιση του υλικού.

Μετά την ξήρανση, τα ηλεκτρόδια περνούν μέσα από ένα ζεύγος κυλίνδρων ακριβείας για να επιτύχουν ομοιόμορφο πάχος, να βελτιώσουν την πυκνότητα και να εξασφαλίσουν καλή επαφή μεταξύ των ενεργών υλικών και των συλλεκτών ρεύματος.

Τα ηλεκτρόδια κόβονται στα επιθυμητά σχήματα (συνήθως ορθογώνια για κύτταρα θύλακα ή κυλινδρικά για κυλινδρικά κύτταρα). Το θετικό ηλεκτρόδιο, το διαχωριστικό και το αρνητικό ηλεκτρόδιο στοιβάζονται ή τραυματίζονται στην τελική μορφή κυττάρων.

Θήκη

Τα στρώματα στοίβαξης του διαχωρισμού ηλεκτροδίων περικλείονται σε μια πλαστική θήκη αλουμινίου. Ο ηλεκτρολύτης εγχέεται στη θήκη και η θήκη είναι θερμική σφραγίδα για να αποφευχθεί η διαρροή.

Κυλινδρικά και πρισματικά κύτταρα

Το συγκρότημα ηλεκτροδίου τραύματος εισάγεται σε μεταλλικό δοχείο. Προστίθεται ηλεκτρολύτης, ακολουθούμενη από σφράγιση με ένα καπάκι.

Τα συναρμολογημένα κύτταρα υποβάλλονται σε μια αρχική διαδικασία φόρτισης, γνωστή ως σχηματισμός. Αυτό το βήμα επιτρέπει στο στρώμα διασύνδεσης στερεού ηλεκτρολύτη (SEI) να σχηματίζεται στην επιφάνεια ανόδου, η οποία είναι κρίσιμη για τη σταθερότητα της μπαταρίας. Τα πρωτόκολλα σχηματισμού για μπαταρίες ιόντων νατρίου μπορεί να διαφέρουν ελαφρώς από κύτταρα ιόντων λιθίου λόγω διαφορετικών χημικών SEI.

Μετά το σχηματισμό, τα κύτταρα αφήνονται σε ηλικία για αρκετές ημέρες για να σταθεροποιήσουν την εσωτερική χημεία τους. Κάθε κύτταρο υφίσταται δοκιμές ελέγχου ποιότητας, συμπεριλαμβανομένων των ελέγχων χωρητικότητας, των μετρήσεων εσωτερικής αντίστασης, της ανίχνευσης διαρροών και των δοκιμών ασφαλείας.

Τα δοκιμασμένα κύτταρα συναρμολογούνται σε μονάδες και πακέτα μπαταριών. Τα συστήματα διαχείρισης μπαταριών (BMS) είναι ενσωματωμένα στην παρακολούθηση της τάσης, της θερμοκρασίας και του ρεύματος για να εξασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία.

Η διαδικασία παραγωγής μπαταρίας ιόντων νατρίου αξιοποιεί μεγάλο μέρος της υπάρχουσας υποδομής μπαταριών ιόντων λιθίου, καθιστώντας την σχετικά εύκολο για τους κατασκευαστές να υιοθετήσουν. Ωστόσο, τα υλικά ιόντων νατρίου παρουσιάζουν διαφορετικές ηλεκτροχημικές και φυσικές ιδιότητες, απαιτώντας ορισμένες προσαρμογές στη διατύπωση ιλύος, την επιλογή ηλεκτρολύτη και τα πρωτόκολλα σχηματισμού. Καθώς η τεχνολογία ιόντων νατρίου συνεχίζει να ωριμάζει, το πλεονέκτημα κόστους και η αφθονία των πρώτων υλών θα μπορούσαν να την καταστήσουν ισχυρό ανταγωνιστή σε εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας.