Как функционира батерията с натриеви йони

Как Дали е натриево-йонен Батерия Работи?

Натриево-йонната клетка съхранява и освобождава енергия чрез контролираното движение на натриеви йони между два електрода. Механизмът изглежда подобен на този при литиево-йонната клетка върху дъска, но материалите, размерът на йоните и няколко практически последици са различни. За всеки, който оценява натриево-йонните батерии за автомобилни старт-стоп приложения, разбирането на начина, по който клетката действително функционира вътре в батерията, е отправна точка за всяка спецификация, сравнение и решение за набавяне, които следват.

_______________________________________________________________________

Основната структура вътре в натриево-йонната клетка

Натриево-йонната клетка се състои от същите основни компоненти като повечето други презареждаеми химически системи: положителен електрод (катод), отрицателен електрод (анод), разделител, който ги държи физически отделени, електролит, който пренася йони между двата електрода, и токопроводни колектори, които свързват всеки електрод с външните терминали.

Материалите, използвани в тези компоненти, са това, което отличава натриево-йонната клетка от литиево-йонната клетка. Натриево-йонните клетки обикновено използват:

• Катод, съдържащ натрий , като слоести оксиди на преходни метали (например NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2 и подобни състави), аналози на пруската синя или полиянонни съединения. Точният химичен състав варира в зависимост от производителя и предвиденото приложение.

• Анод от твърд въглерод , който е най-широко използваният аноден материал за натриево-йонни клетки. По време на зареждане натриевите йони се абсорбират в безредната въглеродна структура.

• Течен електролит, съдържащ натриева сол — най-често NaPF6 или NaClO4 —разтворени в карбонатни разтворители. Някои конструкции използват гелови или твърдотелни електролити, но те са по-малко разпространени в комерсиалните автомобилни батерии днес.

• Алуминиеви токопроводни пластини от двете страни. Това е значима разлика спрямо литиево-йонните клетки, при които медта трябва да се използва от анодната страна, тъй като алуминият реагира с лития при ниски напрежения. Натрият не образува сплав с алуминий при типичните потенциали на клетките, така че и двете страни могат да използват алуминиева фолио, което опростява производството на клетките и намалява разходите за материали.

Порестият разделител — обикновено полимерна мембрана — физически разделя катода и анода, но все пак позволява преминаването на натриеви йони. Разделителят е наситен с електролит и действа като мост между двата електрода. След това клетката се запечатва в твърда корпусна обвивка (цилиндрична, призматична или торбичкова форма) с терминали, които се свързват с външната част на батерийния пакет.

Какво се случва по време на разреждане

Когато батерията подава мощност — например, когато стартерният двигател завърта двигателя —натриевите йони се преместват от анода към катода през електролита. Едновременно с това електроните се отделят от анода, преминават през външната верига и наново влизат в катода.

Преместване на натриеви йони и поток на електрони

От анодната страна натрият напуска структурата на твърдия въглерод и влиза в електролита като Na-йони.

От катодната страна тези Na-йони се вмъкват в катодния материал, докато електроните, пристигащи през външната верига, редуцират матрицата на катода. Двете потока —йони през електролита и електрони през жицата —трябва да съвпадат по скорост, което е причината външният ток, който батерията може да достави, принципно е ограничен от скоростта, с която йоните могат да се движат вътре в клетката.

В автомобилната батерия този поток от електрони захранва стартерния двигател, системата за запалване, осветлението, информационно-забавителната система и всички бордови електронни компоненти на превозното средство. В превозно средство с функция Start-Stop един и същ процес на разреждане се повтаря многократно по време на всяко пътуване: всеки път, когато двигателят спира на светофар, батерията продължава да захранва електрическите системи, а всеки път, когато двигателят се стартира отново, батерията подава високотоков импулс за стартера. Елементът трябва да издържи този режим на често циклиране при висока скорост, а не само единично дълбоко разреждане.

_______________________________________________________________________

Какво се случва по време на зареждане

Зареждането обръща реакцията на разреждане. Щом външно напрежение бъде приложено към елемента —от алтернатора в работещо превозно средство или от външен зарядно устройство в работилница — натриевите йони напускат катода, преминават обратно през електролита и се вмъкват отново в анода от твърд въглерод. Едновременно с това електроните се извличат от катода, преминават през външната верига и отново навлизат в клетката при анода. Енергията се съхранява, когато натриевите йони се втълпяват обратно в структурата на анода, готови да бъдат освободени отново при следващото разреждане.

В автомобил със система Start-Stop алтернаторът извършва основното презареждане, докато двигателят работи. Акумулаторът рядко достига пълно 100% състояние на зареждане при този режим на работа — обикновено функционира в частично състояние на зареждане между приблизително 60 % и 90 %, с чести кратки импулси на разреждане и презареждане. Следователно, за приложенията Start-Stop е по-важно да се използва химически състав на акумулатора, който добре понася този режим и ефективно приема заряд при частично състояние на зареждане, отколкото такъв, който просто предлага най-висока възможна капацитетна мощност при пълно зареждане.

_______________________________________________________________________

Как температурата влияе върху реакцията

Температурата променя две неща вътре в клетката:

• Ион мобилност при по-ниски температури електролитът става по-вискоозен и движението на йоните забавя. Това намалява способността на клетката да доставя или приема висок ток, което е една от основните причини, поради които акумулаторите губят стартерна мощност през зимата.

• Реакция кинетика при по-високи температури електродните реакции протичат по-бързо, но излишната топлина може да ускори странични реакции, като разлагане на електролита, разтваряне на преходни метали от катода и образуване на слой на твърдия електролитен интерфейс (SEI) върху анода. С течение на времето тези странични реакции намаляват капацитета и съкращават броя на циклите.

Натриево-йонната химия често се обсъжда като такава с по-добра йонна проводимост при ниски температури в сравнение с някои литиеви химии, тъй като по-малката енергия за десолватация и по-слабата солватационна обвивка на натрия правят по-лесно за йона да се освободи от молекулите си на разтворител на електродния интерфейс. В практиката обаче производителността при студено стартиране на реален автомобилен продукт зависи от конструкцията на клетката, формулировката на електролита, ограниченията на BMS и инженерното проектиране на батерийния пакет, а не само от химията. Тестван сертификат или технически данни от производителя са по-надеждни от каквито и да било общи твърдения.

_______________________________________________________________________

Защо BMS е част от начина, по който батерията работи

Автомобилната батерия с натриеви йони е нещо повече от отделни клетки. Системата за управление на батерията (BMS) контролира начина, по който клетките се използват и защитават по време на нормална експлоатация. При батерия за система Start-Stop BMS обикновено осъществява:

• Балансиране на клетките по време на зареждане, така че отделните клетки в блока да запазят подобни нива на заряд. • Балансиране на клетките по време на зареждане, така че отделните клетки в блока да запазят подобни нива на заряд.

• Мониторинг на напрежението, тока и температурата за всяка клетка или група клетки. • Мониторинг на напрежението, тока и температурата за всяка клетка или група клетки.

• Защита срещу прекомерно зареждане, прекомерно разреждане, къси съединения и излишно висок ток. • Защита срещу прекомерно зареждане, прекомерно разреждане, къси съединения и излишно висок ток.

• Оценка на степента на заряд (SOC) и степента на здравословно състояние (SOH), която автомобилът може да използва, за да реши кога да деактивира функцията Start-Stop, да намали яркостта на аксесоарите или да предупреди шофьора. • Оценка на степента на заряд (SOC) и степента на здравословно състояние (SOH), която автомобилът може да използва, за да реши кога да деактивира функцията Start-Stop, да намали яркостта на аксесоарите или да предупреди шофьора.

• Комуникация с електрическата система на автомобила чрез протоколи като LIN или CAN, в зависимост от приложението.

Химическият състав може да е различен от лития, но ролята на системата за управление на батерията (BMS) е по същество една и съща. За търговските купувачи това означава, че оценката на натриево-йонна батерия за превозни средства не трябва да спира само при химичния състав на елементите. Фирмуерът на BMS, качеството на хардуера, точността на сензорите и съответствието с електрическия протокол на превозното средство директно влияят върху реалната производителност, разходите за гаранция и задоволството на клиентите.

_______________________________________________________________________

Как се различава от литиево-йонен елемент

Принципът на работа на натриево-йонния елемент е подобен на този на литиево-йонния елемент: йоните се преместват между два електрода, електроните текат през външната верига, а реакцията е обратима по време на циклиране. Разликите са предимно в материала и техните практически последици.

Основните разлики включват:

•Размер на йоните. Йоните на натрия са по-големи от йоните на лития. Това влияе върху това колко лесно те навлизат и напускат структурата на електрода и е една от причините, поради които клетките с йони на натрий обикновено имат по-ниска енергийна плътност в сравнение с преобладаващите литиево-йонни химически съставки.

• Токопроводни подложки. Клетките с йони на натрий могат да използват алуминий от двете страни, докато клетките с йони на литий изискват мед на анода. Алуминият е по-евтин и по-лек от медта, което опростява конструкцията на клетката.

• Ресурси достъпност. Натрият е значително по-изобилен и по-широко разпределен географски в сравнение с лития. Това влияе върху дългосрочните тенденции в цените и сигурността на доставките, особено за приложения с висок обем.

•Енергийна плътност. Сегашните търговски клетки с йони на натрий обикновено имат по-ниска масова и обемна енергийна плътност в сравнение с преобладаващите литиево-йонни химически съставки, макар че разликата варира в зависимост от химичния състав и поколението.

За екипите по набавки практическият въпрос не е „коя химия е теоретично по-добра“, а „коя химия отговаря на изискванията за конкретния автомобил, климата и цикъла на работа при подходяща цена“. Фактът, че натриевите и литиевите батерии функционират по подобен начин, ги прави частично сравними, но не взаимозаменими. За по-подробен поглед върху начина, по който работи литиево-йонна клетка, вижте как функционира литиевата батерия в кластера за литиеви батерии.

_______________________________________________________________________

Какво означава това за автомобилните системи Start-Stop

За да работи добре натриево-йонна батерия в автомобил със система Start-Stop, едновременно трябва да са изпълнени няколко условия:

• Зареждане и приемане. Химията на клетката трябва да осигурява високо ниво на приемане на заряд, така че алтернаторът да може бързо да презареди батерията между рестартовете и след дълбоко натоварване от аксесоарите.

• Ток за стартиране при ниски температури (CCA) . Рейтингът CCA трябва да е достатъчен за размера на двигателя и за климата, в която ще се използва автомобилът. Натриево-йонна клетка, която осигурява силно стартиране при 25 °C , може да не осигури същото стартиране при −20 °°C.

• Циклов живот при частичен заряд. Батерията трябва да отговаря на високия брой рестартиране на двигателя, очаквани при градско шофиране — батерия за система Start-Stop в градски условия може да претърпи стотици рестартиране на двигателя седмично.

• Интеграция на BMS . BMS трябва да комуникира правилно с автомобила и да защитава батерийния пакет при хиляди частични цикли. Без правилна интеграция на BMS дори здрава клетка може да бъде повредена от неподходящо зареждане или прекомерна дълбочина на разреждане.

Батерията с натриеви йони не се монтира автоматично във всяко превозно средство с функция Start-Stop само защото такава химия съществува. Важни са спецификациите на превозното средство, климатичните условия, профилът на зареждане и собствената валидационна работа на производителя. Екипите по набавки винаги трябва да проверяват техническия паспорт на продукта и да поискват от доставчика доказателства за съвместимост с конкретните системи на превозното средство, за което е предназначена батерията, вместо да разчитат на общи твърдения относно химичния състав. За по-широк поглед върху начина, по който литиевите батерии се използват в превозни средства и други приложения, вижте ръководството за колоната „Литиеви батерии“.

_______________________________________________________________________

Често задавани въпроси

Батерията с натриеви йони е ли същата като литиевата? включено батерия?

Не. Общият работен принцип —обратимото движение на йони между два електрода —е един и същ. Материалите обаче са различни. Елементите с натриеви йони използват катоди, базирани на натрий, аноди от твърд въглерод и електролити с натриеви соли, докато литиево-йонните елементи използват катоди, базирани на литий, и графитови аноди.

Използват ли натриево-йонните батерии имате нужда от B МС?

Да. Автомобилните батерии с натриеви йони изискват система за управление на батерията (BMS), която следи напрежението на отделните елементи, балансира елементите, контролира зареждането и разреждането и защитава батерийния блок от опасни условия.

Може ли един натриево-йонен батерия да се зарежда с нормален олово -киселинен заряден уред?

Не като общо правило. Елементите с натриеви йони имат различни напрежениеви диапазони и профили на зареждане в сравнение с оловно-киселинните батерии. Използването на несъвместим заряден уред може да повреди батерийния блок. Винаги следвайте инструкциите на производителя на батерията за зареждане и използвайте заряден уред, одобрен за конкретния натриево-йонен продукт.