Jak funguje baterie se sodnými ionty

Jak Je to sodno-iontová Baterie Work?

Sodno-iontová článka ukládá a uvolňuje energii prostřednictvím řízeného pohybu sodných iontů mezi dvěma elektrodami. Mechanismus vypadá na tabuli podobně jako u lithio-iontové články, avšak materiály, velikost iontů a některé praktické důsledky se liší. Pro každého, kdo posuzuje sodno-iontové akumulátory pro automobilové aplikace start-stop, je pochopení toho, jak článka ve skutečnosti uvnitř akumulátoru funguje, výchozím bodem pro každou následnou specifikaci, srovnání a rozhodnutí o nákupu.

_______________________________________________________________________

Základní stavba uvnitř sodno-iontové články

Sodno-iontová článka je sestavena ze stejných základních částí jako většina ostatních dobíjecích chemií: kladné elektrody (katody), záporné elektrody (anody), separátoru, který je fyzicky odděluje, elektrolytu, který přenáší ionty mezi nimi, a proudových sběračů, které každou elektrodu spojují s vnějšími svorkami.

Materiály použité v těchto komponentách jsou tím, co odlišuje sodnoiontovou článku od lithioiontové články. Sodnoiontové články obvykle používají:

• Katodu obsahující sodík , jako jsou vrstvené oxidy přechodných kovů (například NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2 a podobné složení), analogie pruské modři nebo sloučeniny typu polyanion. Přesné složení se liší podle výrobce a zamýšleného použití.

• Anodu z tvrdého uhlíku , která je nejrozšířenějším anodovým materiálem pro sodnoiontovou chemii. Během nabíjení jsou ionty sodíku začleněny do neuspořádané uhlíkové struktury.

• Tekutý elektrolyt obsahující sodnou sůl — nejčastěji NaPF6 nebo NaClO4 —rozpuštěnou v rozpouštědlech na bázi karbonátů. Některé konstrukce používají gelové nebo pevné elektrolyty, avšak tyto jsou v současných komerčních automobilových bateriích méně běžné.

• Hliníkové proudové sběrače na obou stranách. Toto je významný rozdíl oproti lithiovým článkům, kde se na anodové straně musí používat měď, protože hliník reaguje s lithiem při nízkých napětích. Sodík se při běžných napětích článku s hliníkem nevytváří slitinu, takže lze na obou stranách použít hliníkovou fólii, což zjednodušuje výrobu článků a snižuje náklady na materiál.

Prostupný separátor – obvykle polymerová membrána – fyzicky odděluje katodu od anody, ale zároveň umožňuje průchod sodnými ionty. Separátor je nasycen elektrolytem a slouží jako most mezi dvěma elektrodami. Článek je poté uzavřen v tuhém pouzdře (v cylindrickém, hranolovém nebo taštičkovém provedení) s přívody, které se připojují k vnější straně bateriového balení.

Co se děje při vybíjení

Když baterie dodává výkon – například když startovací motor roztáčí motor —sodné ionty se pohybují z anody ke katodě prostřednictvím elektrolytu. Současně jsou elektrony uvolňovány na anodě, procházejí vnějším obvodem a znovu vstupují na katodu.

Pohyb sodných iontů a tok elektronů

Na straně anody sodík opouští strukturu tvrdého uhlíku a vstupuje do elektrolytu jako ionty Na.

Na straně katody se tyto ionty Na vkládají do materiálu katody, zatímco elektrony přicházející vnějším obvodem redukují nosnou látku katody. Tyto dva proudy —iontů prostřednictvím elektrolytu a elektronů prostřednictvím vodiče —musí mít stejnou rychlost, což je důvod, proč je vnější proud, který baterie dokáže dodat, zásadně omezen rychlostí pohybu iontů uvnitř článku.

V automobilové baterii tento tok elektronů napájí startovací motor, zapalování, osvětlení, systém informací a zábavy (infotainment) a všechny ostatní palubní elektronické systémy vozidla. U vozidel se systémem Start-Stop se stejný proces vybíjení opakuje mnohokrát během jedné jízdy: pokaždé, když motor zastaví u semaforu, baterie nadále zásobuje elektrické systémy, a pokaždé, když se motor znovu spustí, dodá baterie krátký impuls vysokého proudu pro startování. Buňka musí odolat tomuto režimu častého cyklování při vysoké rychlosti, nikoli pouze jednomu hlubokému vybití.

_______________________________________________________________________

Co se děje během nabíjení

Nabíjení obrací reakci vybíjení. Jakmile je na buňku aplikováno vnější napětí, —střídavým generátorem v jedoucím vozidle nebo vnějším nabíječem ve dílně — ionty sodíku opouštějí katodu, procházejí zpět elektrolytem a znovu se začlení do anody z tvrdého uhlíku. Současně jsou elektrony vytaženy z katody, procházejí vnějším obvodem a znovu vstupují do článku na anodě. Energie je uložena tím, že jsou ionty sodíku vtlačeny zpět do struktury anody, připraveny k uvolnění při dalším vybíjení.

V vozidle se start-stopovou funkcí střídavý generátor provádí většinu dobíjení, pokud je motor v provozu. Baterie v tomto režimu zřídka dosáhne plného 100% stavu nabití – obvykle pracuje v částečném stavu nabití mezi přibližně 60 % a 90 %, přičemž dochází k častým krátkodobým výbojům a nabíjením. Proto je pro aplikace se start-stopovou funkcí důležitější chemie baterie, která tento režim dobře zvládá a efektivně přijímá náboj i při částečném stavu nabití, než chemie, která nabízí pouze nejvyšší možnou kapacitu při plném nabití.

_______________________________________________________________________

Vliv teploty na reakci

Teplota ovlivňuje dvě věci uvnitř článku:

• Iont mobilita . Při nižších teplotách se elektrolyt stává viskóznějším a pohyb iontů se zpomaluje. To snižuje schopnost článku dodávat nebo přijímat vysoký proud, což je jedním z hlavních důvodů, proč baterie ztrácejí startovací výkon v zimě.

• Reakce kinetika při vyšších teplotách probíhají elektrodové reakce rychleji, avšak nadměrné zahřátí může urychlit vedlejší reakce, jako je rozklad elektrolytu, rozpouštění přechodných kovů z katody a růst vrstvy tuhého elektrolytového rozhraní (SEI) na anodě. Postupně tyto vedlejší reakce snižují kapacitu a zkracují životnost baterie v cyklech.

Chemie sodíkových iontů je často diskutována jako taková, která nabízí lepší transport iontů za nízkých teplot než některé lithiové chemie, protože menší energie desolvatace sodíku a slabší solvatační obal usnadňují iontu odstranění molekul rozpouštědla na rozhraní elektrody. V praxi však výkon při startu za studena u skutečného automobilového produktu závisí na konstrukci článku, složení elektrolytu, omezeních BMS a inženýrském řešení celého balíku, nikoli pouze na chemii. Zkušební certifikát nebo technický list výrobce je spolehlivější než jakékoli obecné tvrzení.

_______________________________________________________________________

Proč je BMS součástí toho, jak baterie funguje

Automobilová sodíkovo-iontová baterie je víc než jen články. Systém správy baterie (BMS) řídí, jak jsou články používány a chráněny během běžného provozu. V baterii Start-Stop BMS obvykle zpracovává:

• Vyvažování buněk během c nabíjení, aby jednotlivé články v sadě zůstaly v podobném stavu nabití.

• Monitor napětí, proudu a teploty prstenec pro každou buňku nebo skupinu buněk.

• Ochrana proti přebití, nadměrnému vybití přepětí, zkraty a nadměrný proud.

• Odhad stavu nabití (SOC) a stavu zdraví (SOH) informace, které může vozidlo použít k rozhodnutí, kdy deaktivovat systém Start-Stop, ztlumit osvětlení příslušenství nebo upozornit řidiče.

• Komunikace s elektrickým systémem vozidla pomocí protokoly jako LIN nebo CAN v závislosti na konkrétním použití.

Chemické složení může být odlišné od lithia, ale funkce řídícího systému baterie (BMS) je v podstatě stejná. Pro B2B zakoupení to znamená, že při posuzování sodno-iontové baterie pro vozidla by se nemělo vyhodnocení zastavit pouze u chemického složení článků. Firmware řídícího systému baterie (BMS), kvalita jeho hardwaru, přesnost senzorů a soulad s elektrickým protokolem vozidla přímo ovlivňují skutečný provozní výkon, náklady na záruku a spokojenost zákazníků.

_______________________________________________________________________

Jak se tento článek liší od lithio-iontového článku

Princip činnosti sodno-iontového článku je podobný principu lithio-iontového článku: ionty se přesunují mezi dvěma elektrodami, elektrony procházejí vnějším obvodem a reakce jsou během cyklování obrácené. Rozdíly spočívají především v materiálech a jejich praktických důsledcích.

Klíčové rozdíly zahrnují:

•Velikost iontů. Ionty sodíku jsou větší než ionty lithia. To ovlivňuje, jak snadno vstupují a opouštějí strukturu elektrody, a je jedním z důvodů, proč mají články se sodnými ionty obvykle nižší energetickou hustotu než běžné lithiové články.

• Proudové sběrače. Články se sodnými ionty mohou na obou stranách používat hliník, zatímco lithiové články vyžadují měď na anodě. Hliník je levnější a lehčí než měď, což zjednodušuje návrh článku.

• Zdroje dostupnosti. Sodík je mnohem hojnější a geograficky rovněž lépe rozptýlený než lithium. To ovlivňuje dlouhodobé cenové trendy a bezpečnost dodávek, zejména u aplikací s vysokým objemem.

•Energetická hustota. Současné komerční články se sodnými ionty obecně mají nižší měrnou a objemovou energetickou hustotu než běžné lithiové články, i když se rozdíl liší podle chemie a generace.

Pro nákupní týmy je praktickou otázkou ne „která chemie je teoreticky lepší“, ale „která chemie splňuje požadavky konkrétního vozidla, klimatických podmínek a režimu provozu za správnou cenu“. Skutečnost, že sodík i lithiu fungují podobným způsobem, činí tyto prvky částečně srovnatelnými, avšak neznamená to, že jsou zaměnitelné. Pro podrobnější pohled na fungování lithiového článku viz článek „Jak funguje lithiová baterie“ v rámci skupiny článků o lithiových bateriích.

_______________________________________________________________________

Co to znamená pro automobilové systémy Start-Stop

Aby sodíková baterie dobře fungovala ve vozidlech se systémem Start-Stop, musí současně platit následující podmínky:

• Náboj – schopnost přijímat náboj. Chemie článku musí umožňovat vysokou schopnost přijímat náboj, aby alternátor mohl baterii rychle znovunabít mezi jednotlivými restarty a po výrazném zatížení pomocných zařízení.

• Proud pro studený start (CCA). Hodnota CCA musí být dostatečná pro velikost motoru a klimatické podmínky, v nichž bude vozidlo provozováno. Sodíkový článek, který poskytuje silný start při teplotě 25 °C , nemusí poskytovat stejný start při nižších teplotách. −20 °C.

• Životnost baterie při částečném stavu nabití. Baterie musí vyhovovat vysokému počtu restartů motoru, které se očekávají při městském provozu – baterie Start-Stop v městské dopravě může za týden prožít stovky restartů motoru.

• Integrace řídícího systému baterie (BMS) řídící systém baterie (BMS) musí správně komunikovat s vozidlem a chránit bateriový balík po tisíce částečných cyklů. Bez správné integrace BMS může být i kvalitní článek poškozen nevhodným nabíjením nebo příliš hlubokým vybíjením.

Sodno-iontová baterie se automaticky nehodí na každé vozidlo se start-stop systémem jen proto, že tato chemie existuje. Důležitá je specifikace vozidla, klimatické podmínky, profil nabíjení a také vlastní ověřovací práce výrobce. Zakoupení týmy by měly vždy zkontrolovat technický list výrobku a požádat dodavatele o důkazy kompatibility baterie s konkrétními systémy vozidla, pro které je určena, místo aby se spoléhaly na obecná prohlášení o chemii. Pro širší přehled o použití lithiových baterií v dopravních prostředcích a dalších aplikacích viz průvodce pilířem lithiových baterií.

_______________________________________________________________________

Často kladené otázky

Je sodno-iontová baterie stejná jako lithiová? zapnuto baterie?

Ne. Obecný pracovní princip —obratný pohyb iontů mezi dvěma elektrodami —je stejný. Materiály jsou však odlišné. Sodno-iontové články používají katody na bázi sodíku, anody z tvrdého uhlíku a elektrolyty se sodnými soli, zatímco lithio-iontové články používají katody na bázi lithia a anody z grafitu.

Jsou sodno-iontové baterie potřebuješ B MS?

Ano. Automobilové sodno-iontové baterie vyžadují systém řízení baterií (BMS) ke sledování napětí článků, vyrovnávání článků, řízení nabíjení a vybíjení a ochraně balení před nebezpečnými podmínkami.

Lze sodno-iontovou baterie nabíjet pomocí nabíječky pro normální olovo -kyselinové baterie?

Obecně ne. Sodno-iontové články mají jiná napěťová okna a jiné profily nabíjení než olověné akumulátory. Použití nekompatibilní nabíječky může poškodit balení. Vždy dodržujte pokyny výrobce baterií k nabíjení a používejte pouze nabíječku schválenou pro konkrétní sodno-iontový výrobek.