Natrium-ionin akun tuotantoprosessi: Raaka-aineista valmiisiin soluihin

Natrium-ionin paristot (Na-ion-akut) ovat herättäneet merkittävää huomiota lupaavana vaihtoehtona litium-ioni-akkuille natriumiresurssien runsauden ja alhaisten kustannusten vuoksi. Natrium-ioni-akkujen tuotantoprosessissa on monia samankaltaisuuksia litium-ioni-akkujen kanssa, mutta natriumpohjaisten materiaalien ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi on myös joitain keskeisiä eroja. Tässä artikkelissa hahmotellaan natrium-ionin akun valmistusprosessin avainvaiheet.

Katodimateriaalit

Natrium-ioni-akkujen yleisiä katodimateriaaleja ovat kerrostettuja oksideja (NaXTMO2, missä TM=siirtymämetalli), polyanioniset yhdisteet (kuten Na3v2 (PO4) 3) ja Preussin siniset analogit. Nämä materiaalit syntetisoidaan kiinteän tilan reaktiolla, sool-geeliprosesseilla tai samanaikaisesti saakka.

Anodimateriaalit

Biomassasta tai sävelkorkeudesta johdettu kova hiili on natrium-ion-paristojen yleisimmin käytetty anodimateriaali. Kova hiiliesiasteet hiilihappoja korkeissa lämpötiloissa (tyypillisesti 1000-1300 aste), jotta saadaan natrium-ionin varastointiin sopivan epäjärjestynyt hiilirakenne.

Elektrolyytti

Elektrolyytti koostuu yleensä natriumsuoloista (kuten NACLO4, NAPF6 tai NATFSI), joka on liuennut karbonaattipohjaisiin liuottimiin (EC, DMC, PC). Kiinteän tilan elektrolyyttejä, mukaan lukien nasicon ja sulfidipohjaiset materiaalit, ovat myös kehitteillä.

Erotin

Polyeteeni (PE) ja polypropeeni (PP) -erottimia, joita käytetään yleisesti litium-ioni-akkuissa, voidaan levittää myös natrium-ioni-akkuihin, vaikka yhteensopivuus Na-ionin elektrolyyttien kanssa arvioidaan huolellisesti.

Lietteen valmistelu

Aktiiviset materiaalit (katodi ja anodi), johtavat lisäaineet (hiilimustat) ja sideaineet (kuten PVDF, CMC tai SBR) sekoitetaan liuottimien (katodin NMP, vettä anodille) tasaisen lietteen luomiseksi.

Pinnoite

Lietteen päällystetään tasaisesti alumiinifolioon (katodi) ja kuparikalvoon (anodi). Joidenkin natrium-ion-akkujen kohdalla molemmat elektrodit voivat käyttää alumiinifoliota jänniteikkunasta ja materiaalin ominaisuuksista riippuen.

Kuivuminen

Pinnoitetut elektrodit kuivattu uuneissa jäännösliuottimien poistamiseksi. Kuivauslämpötilaa ja kestoa säädetään huolellisesti materiaalin hajoamisen estämiseksi.

Kuivauksen jälkeen elektrodit kulkevat tarkkuustelien parin läpi tasaisen paksuuden saavuttamiseksi, tiheyden parantamiseksi ja aktiivisten materiaalien ja virrankeräimien välisen hyvän kontaktin varmistamiseksi.

Elektrodit leikataan haluttuihin muotoihin (yleensä suorakaiteen muotoinen pussisoluille tai lieriömäinen sylinterimäisille soluille). Positiivinen elektrodi, erotin ja negatiivinen elektrodi pinotaan tai haavoitetaan lopulliseen kennoon.

Pussisolut

Pinotetut elektrodisarjakerrokset on suljettu alumiinirumasspussiin. Elektrolyytti injektoidaan pussiin, ja pussi suljetaan lämmöksi vuotojen estämiseksi.

Lieriömäiset ja prismaattiset solut

Haavaelektrodikokoonpano työnnetään metalliruupiin. Elektrolyyttiä lisätään, mitä seuraa tiivistyminen korkilla.

Kokotut solut läpikäyvät alkuperäisen latausprosessin, joka tunnetaan muodostumisena. Tämä vaihe mahdollistaa kiinteän elektrolyyttirajapinnan (SEI) kerroksen muodostaa anodin pinnalle, mikä on kriittinen akun stabiilisuuden kannalta. Natrium-ioni-akkujen muodostumisprotokollat ​​voivat poiketa hiukan litium-ioni-soluista erilaisista SEI-kemioista.

Muodostumisen jälkeen solut jätetään ikään useita päiviä sisäisen kemian stabiloimiseksi. Jokaiselle solulle tehdään laadunvalvontakokeet, mukaan lukien kapasiteetin tarkistukset, sisäiset resistanssimittaukset, vuotojen havaitsemisen ja turvakokeet.

Testatut solut kootaan moduuleihin ja akkuihin. Akkujen hallintajärjestelmät (BM) on integroitu jännitteen, lämpötilan ja virran seuraamiseksi turvallisen käytön varmistamiseksi.

Natrium-ioni-akun tuotantoprosessi hyödyntää suurta osaa olemassa olevasta litium-ioni-akkuinfrastruktuurista, mikä tekee valmistajien suhteellisen helpoksi. Natrium-ionimateriaaleilla on kuitenkin erilaisia ​​sähkökemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia, jotka vaativat joitain säätöjä lietteen formulaatiossa, elektrolyyttien valinnassa ja muodostumisprotokollissa. Kun natrium-ionitekniikka kypsyy edelleen, sen kustannusetu ja raaka-aineiden runsaus voivat tehdä siitä vahvan kilpailijan laajamittaisissa energian varastointisovelluksissa.