Naatrium-ioon akude tootmisprotsess: toorainetest valmis lahtriteni
Naatrium-ioonakud (NA-ioon patareid) on pälvinud palju paljulubava alternatiivina liitium-ioonpatareidele, kuna naatriumressursid on arvukust ja odavaid. Naatrium-ioonpatareide tootmisprotsess jagab palju sarnasusi liitium-ioonakudega, kuid naatriumipõhiste materjalide ainulaadsete omaduste tõttu on ka mõned peamised erinevused. See artikkel kirjeldab naatrium-ioon aku tootmisprotsessi peamisi samme.
1. tooraine ettevalmistamine
Katoodmaterjalid
Naatrium-ioonpatareide tavalised katoodmaterjalid hõlmavad kihilisi oksiide (NaxtMo2, kus TM=üleminekumetall), polüanionilised ühendid (nagu Na3v2 (PO4) 3) ja Preisi sinised analoogid. Neid materjale sünteesitakse tahkisreaktsiooni, soolgeeli protsesside või kaasnemismeetodite abil.
Anoodmaterjalid
Biomassist või helikõrgusest saadud kõva süsinik on naatrium-ioonpatareide jaoks kõige laialdasemalt kasutatav anoodmaterjal. Kõva süsiniku eelkäijad karboniseeritakse kõrgel temperatuuril (tavaliselt 1000-1300 kraad), et luua korrastamata süsinikukonstruktsioon, mis sobib naatrium-ioon säilitamiseks.
Elektrolüüt
Elektrolüüt koosneb tavaliselt naatriumisooladest (näiteks NaClo4, NAPF6 või NATFSI), mis on lahustatud karbonaadipõhistes lahustites (EC, DMC, PC). Arendatakse ka tahkis-elektrolüüte, sealhulgas Nasiconi ja sulfiidipõhiseid materjale.
Eraldaja
Polüetüleeni (PE) ja polüpropüleeni (PP) eraldajaid, mida tavaliselt kasutatakse liitium-ioonpatareides, saab kasutada ka naatrium-ioonakudele, ehkki ühilduvust NA-ioon elektrolüütidega hinnatakse hoolikalt.
2. Elektroodide katmise protsess
Läga ettevalmistamine
Aktiivsed materjalid (katood ja anood), juhtivad lisandid (süsinik must) ja sideained (näiteks PVDF, CMC või SBR) segatakse lahustitega (NMP katoodiks, vesi anoodiks), et luua ühtlane libisemine.
Kate
Läga kaetakse ühtlaselt alumiiniumfooliumile (katood) ja vaskfooliumile (anood). Mõne naatrium-ioonpatarei puhul võivad mõlemad elektroodid kasutada alumiiniumfooliumi, sõltuvalt pingeaknast ja materjali omadustest.
Kuivatamine
Kattega elektroodid kuivatatakse ahjudes, et eemaldada lahustid. Kuivamistemperatuuri ja kestust kontrollitakse hoolikalt, et vältida materjali halvenemist.
3. Elektroodide kalendmine
Pärast kuivatamist läbivad elektroodid ühtlase paksuse saavutamiseks, tiheduse parandamiseks ja aktiivsete materjalide ja praeguste kollektsionääride vahel hea kontakti saavutamiseks.
4. Elektroodide lõikamine ja virnastamine
Elektroodid lõigatakse soovitud kujuks (tavaliselt ristkülikukujulised kotirakkude jaoks või silindriliste rakkude silindrilised). Positiivne elektrood, eraldaja ja negatiivne elektrood on virnastatud või haavatakse lahtri lõplikus vormingus.
5. rakukomplekt
Kottrakud
Virnatud elektroodide separaatori kihid on suletud alumiiniumplastilisse kotti. Elektrolüüti süstitakse kotti ja lekke vältimiseks on kott kuumutatud.
Silindrilised ja prismaatilised rakud
Haava elektroodikomplekt sisestatakse metallpurki. Lisatakse elektrolüüt, millele järgneb pitseerimine korgiga.
6. moodustumisprotsess
Kogutud rakud läbivad esialgse laadimisprotsessi, mida nimetatakse moodustumiseks. See samm võimaldab tahke elektrolüüdiliidese (SEI) kihi moodustuda anoodi pinnale, mis on aku stabiilsuse jaoks kriitilise tähtsusega. Naatrium-ioonpatareide moodustumisprotokollid võivad erinevate SEI keemiate tõttu pisut erineda liitium-ioonrakkudest.
7. Vananemine ja testimine
Pärast moodustumist jäetakse rakud oma sisemise keemia stabiliseerimiseks mitu päeva vanuseks. Iga rakk läbib kvaliteedikontrolli testid, sealhulgas mahutavuse kontrollid, sisemiskindluse mõõtmised, lekke tuvastamine ja ohutustestid.
8. moodul ja pakkide komplekt
Testitud rakud koondatakse mooduliteks ja akupakkideks. Akuhaldussüsteemid (BMS) on integreeritud pinge, temperatuuri ja voolu jälgimiseks, et tagada ohutu töö.
Peamised erinevused liitium-ioon aku tootmisel
| Töötlemise samm | Liitium-ioon aku | Naatrium-ioon aku |
| Katoodmaterjal | Licoo2, NMC, LFP | Kihilised oksiidid, Preisi sinine, polüanioonid |
| Anoodmaterjal | Grafiit | Kõva süsinik |
| Elektrolüüt | Lipf6 karbonaadi lahustites | NAPF6, NATFSI karbonaadi lahustites |
| Praegused kollektsionäärid | Vask (anood), alumiinium (katood) | Alumiinium mõlemale (mõnel juhul) |
| Moodustamise protokoll | Li-iooni standard | Naatrium SEI moodustumiseks kohandatud |
Järeldus
Naatrium-ioon akude tootmisprotsess kasutab suurt osa olemasolevast liitium-ioonaku infrastruktuurist, muutes tootjate vastuvõtmise suhteliselt lihtsaks. Naatrium-ioonmaterjalidel on aga erinevad elektrokeemilised ja füüsikalised omadused, mis nõuavad läga koostamise, elektrolüütide valimise ja moodustumisprotokollide mõningaid kohandusi. Naatrium-ioontehnoloogia küpseks saades võiksid selle kulude eelised ja tooraine arvukus muuta selle suuremahuliste energiasalvestusrakenduste tugevaks konkurendiks.
