Hogyan működik egy nátrium-ion akkumulátor

Hogyan Nátrium-ionos-e Akkumulátor Működik?

Egy nátrium-ionos elem az energiát a két elektróda közötti nátriumionok irányított mozgásával tárolja és bocsátja fel. A működési elv egy fehér táblán úgy néz ki, mint egy lítium-ionos elemé, de az alkalmazott anyagok, az ion mérete és néhány gyakorlati következmény eltérő. Minden olyan szakember számára, aki nátrium-ionos akkumulátorokat értékel autók indító–leállító (start-stop) rendszereihez, az elem tényleges belső működésének megértése minden további specifikáció, összehasonlítás és beszerzési döntés kiindulási pontja.

_______________________________________________________________________

Egy nátrium-ionos elem alapvető szerkezete

Egy nátrium-ionos elem ugyanabból a lényeges alkatrészekből épül fel, mint a legtöbb más újratölthető akkumulátor-kémia: egy pozitív elektróda (katód), egy negatív elektróda (anód), egy elválasztó réteg, amely fizikailag távol tartja őket egymástól, egy elektrolit, amely az ionokat szállítja a két elektróda között, valamint áramszedők, amelyek mindegyik elektródát a külső csatlakozókhoz kapcsolják.

Azokban az alkatrészekben használt anyagok különböztetik meg a nátrium-ionos elemet a lítium-ionos elemtől. A nátrium-ionos elemek általában a következőket tartalmazzák:

• Nátriumot tartalmazó katód , mint például rétegzett átmenetifém-oxidok (például NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2 és hasonló összetételek), prussziakék-analógok vagy polianion-típusú vegyületek. A pontos kémia gyártónként és a tervezett alkalmazástól függően változhat.

• Kemény szén anód , amely a nátrium-ionos kémia legelterjedtebb anódanyaga. A nátriumionok a töltés során beépülnek a rendezetlen szénstruktúrába.

• Folyékony elektrolit, amely nátriumsót tartalmaz — leggyakrabban NaPF6 vagy NaClO4 —karbonát-alapú oldószerekben oldva. Egyes kialakítások gél- vagy szilárdtest-elektrolitot használnak, de ezek ma a kereskedelmi autókban használt akkumulátorokban kevésbé elterjedtek.

• Alumínium áramszedők mindkét oldalon. Ez jelentős különbség a lítium-ion elemekhez képest, ahol a katód oldalon réznek kell lennie, mert az alumínium alacsony feszültségeken reagál a lítiummal. A nátrium nem alkot ötvözetet az alumíniummal a tipikus elemfeszültségeken, így mindkét oldalon alumíniumfólia használható, ami egyszerűsíti az elemgyártást és csökkenti az anyagköltséget.

Egy pórusos elválasztó – általában egy polimer membrán – fizikailag elkülöníti a katódot és az anódot, miközben továbbra is lehetővé teszi a nátriumionok átjutását. Az elválasztó elektrolitba áztatott, és híd szerepét tölti be a két elektróda között. Az elemet ezután merev házba (hengeres, prizmatikus vagy zacskós formátumúba) zárják, amelynek kivezetései kapcsolódnak a telep külső részéhez.

Mi történik a kisütés során

Amikor az akkumulátor teljesítményt szolgáltat – például amikor egy indítómotor forgatja a motort —a nátriumionok az elektrolit segítségével az anódból a katódba mozognak. Ugyanakkor az anódban elektronok szabadulnak fel, amelyek az externális áramkörön keresztül haladnak, majd a katódba jutnak vissza.

Nátriumion-mozgás és elektronáramlás

Az anód oldalán a nátrium elhagyja a kemény szén szerkezetét, és Na-ionokként lép be az elektrolitba.

A katód oldalán ezek a Na-ionok beépülnek a katódanyagba, miközben az externális áramkörön érkező elektronok redukálják a katód-házigazdát. A két áramlás —ionok az elektroliton keresztül és elektronok a vezetéken keresztül —sebességének egyeznie kell, ezért az akkumulátor által szolgáltatható externális áram alapvetően attól függ, milyen gyorsan tudnak az ionok mozogni a cellán belül.

Az autó akkumulátorában ez az elektronáram hajtja a motorindítót, a gyújtást, a világítást, az infotainment rendszert és a jármű összes fedélzeti elektronikai egységét. Start-Stop járműveknél ugyanez a kisütési folyamat többször is megismétlődik út közben: minden egyes alkalommal, amikor a motor leáll egy közlekedési lámpánál, az akkumulátor továbbra is ellátja az elektromos rendszereket, és minden egyes alkalommal, amikor a motor újraindul, az akkumulátor nagy áramerősségű impulzust szolgáltat a motorindítónak. A cellának ezt a nagy teljesítményű, gyakori ciklusozási mintát kell elviselnie – nem csupán egyetlen mély kisütést.

_______________________________________________________________________

Mi történik a töltés során

A töltés visszafordítja a kisütési reakciót. Amint külső feszültséget alkalmaznak a cella két sarkára —a jármű futás közbeni alternátora vagy egy külső töltő segítségével műhelyben – a nátriumionok elhagyják a katód anyagot, visszatérnek az elektroliton keresztül, és újra beilleszkednek a kemény szén anód szerkezetébe. Egyidejűleg az elektronok a katódból távoznak, áthaladnak a külső áramkörön, majd újra belépnek a cellába az anódnál. Az energia nátriumionok visszatolása révén tárolódik az anód szerkezetébe, amelyek készen állnak arra, hogy a következő kisütés alkalmával ismét felszabaduljanak.

Start-Stop járművekben az alternátor a legtöbb töltést végzi, amikor a motor működik. A telep ritkán éri el a teljes 100%-os töltöttségi szintet ilyen üzemeltetési körülmények között – általában részleges töltöttségi állapotban működik, kb. 60–90% között, gyakori, rövid kisütési és újratöltési ciklusokkal. Ezért egy Start-Stop alkalmazásban fontosabb egy olyan akkumulátor-kémia, amely jól bírja ezt a működési mintát, és hatékonyan fogadja a töltést részleges töltöttségi szinten, mint egy olyan, amely csupán a lehető legnagyobb teljes töltöttségi kapacitást kínál.

_______________________________________________________________________

Hogyan befolyásolja a hőmérséklet a reakciót

A hőmérséklet-változás két dolgot módosít a cellán belül:

• Ion mobilitás . Alacsonyabb hőmérsékleten az elektrolit sűrűbbé válik, és az ionmozgás lelassul. Ez csökkenti a cella képességét arra, hogy nagy áramot szolgáltasson vagy vegyen fel, ami egyik fő oka annak, hogy az akkumulátorok télen elvesztik indítóteljesítményüket.

• Reakció kinetika magasabb hőmérsékleten gyorsabban zajlanak le az elektródfolyamatok, de a túlzott hő gyorsíthatja a mellékreakciókat, például az elektrolit bomlását, a katódából történő átmenetifém-oldódást és az anódon kialakuló szilárd elektrolit-határfelületi (SEI) réteg növekedését. Az idővel ezek a mellékreakciók csökkentik a kapacitást és lerövidítik a ciklusélettartamot.

A nátrium-ionos akkumulátorok kémiai összetétele gyakran jobb alacsony hőmérsékleten történő iontranszportot biztosít néhány lítium-alapú kémiai rendszerhez képest, mivel a nátrium kisebb deszolvatációs energiája és gyengébb szolvatációs héja miatt könnyebben tudja leadni oldószermolekuláit az elektródfelületen. A gyakorlatban azonban egy valós autóipari termék hidegindítási teljesítménye nem csupán a kémiai összetételtől függ, hanem a cella tervezésétől, az elektrolit összetételétől, a BMS korlátozásaitól és a modulmérnöki megoldásoktól is. Egy hitelesített vizsgálati tanúsítvány vagy a gyártó adatlapon szereplő információ megbízhatóbb, mint bármely általános állítás.

_______________________________________________________________________

Miért része a BMS annak, ahogyan az akkumulátor működik

Egy nátrium-ionos autóakkumulátor több, mint pusztán cellák. Az akkumulátorkezelő rendszer (BMS) szabályozza, hogy a cellák hogyan legyenek használva és védve normál működés közben. Egy Start-Stop akkumulátorban a BMS jellemzően a következőket kezeli:

• Sejtkiegyensúlyozás c alatt töltés, így a csomag egyes cellái hasonló töltöttségi állapotban maradnak.

• Feszültség-, áram- és hőmérséklet-monitorozás gyűrű minden sejthez vagy sejtcsoporthoz.

• Túltöltés és túlkisütés elleni védelem túlfeszültség, rövidzárlat és túlzott áram.

• Töltési állapot (SOC) és állapot (SOH) becslése információ, amelyet a jármű felhasználhat annak eldöntésére, hogy mikor kapcsolja ki a Start-Stop rendszert, sötétítse el a tartozékokat, vagy figyelmeztesse a vezetőt.

• Kommunikáció a jármű elektromos rendszerével a következő használatával: protokollok, például LIN vagy CAN, az alkalmazástól függően.

A kémia eltérhet a lítiumtól, de a BMS szerepe lényegében ugyanaz. A B2B vásárlók számára ez azt jelenti, hogy egy nátrium-ion akkumulátor járművekhez történő értékelése nem állhat meg a cellák kémiai összetételénél. A BMS firmware-je, a hardver minősége, az érzékelők pontossága és a jármű elektromos protokolljával való kompatibilitás közvetlenül befolyásolja a gyakorlati teljesítményt, a garanciális költségeket és az ügyfélértékelést.

_______________________________________________________________________

Hogyan különbözik ez egy lítium-ion cellától

Egy nátrium-ion cella működési elve hasonló egy lítium-ion celláéhoz: ionok mozognak két elektród között, az elektronok az extern áramkörön keresztül áramlanak, és a reakciók ciklikus használat során megfordíthatók. A különbségek főként az anyagokban és azok gyakorlati következményeiben rejlenek.

Főbb különbségek:

•Az ion mérete. A nátriumionok nagyobbak, mint a lítiumionok. Ez befolyásolja, milyen könnyen jutnak be és hagyják el az elektród szerkezetét, és ez egyik oka annak, hogy a nátrium-ion akkumulátorcellák általában alacsonyabb energiasűrűséggel rendelkeznek, mint a gyakori lítium-ion kémiai összetételek.

• Áramszedők. A nátrium-ion cellák mindkét oldalon alumíniumot használhatnak, míg a lítium-ion celláknál az anódon réz szükséges. Az alumínium olcsóbb és könnyebb, mint a réz, így egyszerűbbé teszi a cellatervezést.

• Erőforrás elérhetősége. A nátrium jóval bőségesebb és földrajzilag sokkal szélesebb körben elérhető, mint a lítium. Ez hatással van a hosszú távú költségfejlődésre és az ellátásbiztonságra, különösen a nagy mennyiségű alkalmazások esetében.

•Energiasűrűség. A jelenleg kereskedelmi forgalomban lévő nátrium-ion cellák általában alacsonyabb tömeg- és térfogategységre jutó energiasűrűséggel rendelkeznek, mint a gyakori lítium-ion kémiai összetételek, bár a különbség függ a kémiai összetételtől és a generációtól.

A beszerzési csapatok gyakorlati kérdése nem az, hogy „melyik kémia elméletileg jobb”, hanem az, hogy „melyik kémia felel meg a konkrét jármű, az éghajlat és az üzemelési ciklus követelményeinek megfelelő költséggel”. Az a tény, hogy a nátrium és a lítium hasonló módon működik, részben összehasonlíthatóvá teszi őket, de nem teszi őket egymással felcserélhetővé. A lítium-ion elem működésének részletesebb megismeréséhez lásd: „Hogyan működik egy lítium-akkumulátor” a lítium-akkumulátor klaszterben.

_______________________________________________________________________

Mit jelent ez az autóipari start-stop alkalmazások számára

Ahhoz, hogy egy nátrium-ion akkumulátor jól működjön egy start-stop járműben, több dolognak egyszerre kell igaznak lennie:

• Töltési felvétel. Az elem kémiai összetétele támogatnia kell a magas töltési felvételt, így az alternátor gyorsan újratöltheti az akkumulátort az újraindítások között és a mély kiegészítő terhelések után.

• Hidegindítási áram (CCA). A CCA-jelölésnek elegendőnek kell lennie a motor méretéhez és a jármű által érintett éghajlathoz. Egy nátrium-ion elem, amely 25 °C-on erős indítási teljesítményt nyújt, °C nem feltétlenül nyújtja ugyanazt az indítási teljesítményt −20 °°C-ig terjedő magas hőmérsékletű környezetekben való alkalmazásra.

• Az élettartam részleges töltöttségi állapot mellett a telepnek meg kell felelnie a városi közlekedésben várható magas indításszámnak – egy Start-Stop akkumulátor városi forgalomban hetente százas nagyságrendű motorindítást is elvégezhet.

• BMS integráció. A BMS-nek megfelelően kell kommunikálnia a járművel, és védenie kell az akkupakkot az ezernyi részleges ciklus során. Megfelelő BMS-integráció hiányában akár egy erős cella is károsodhat helytelen töltés vagy túlzott kisütés miatt.

A nátrium-ion akkumulátor nem illeszkedik automatikusan minden Start-Stop járműhöz csupán azért, mert létezik ez a kémiai összetétel. A jármű specifikációja, az éghajlat, a töltési profil és a gyártó saját érvényesítési munkája is számít. A beszerzési csapatoknak mindig ellenőrizniük kell a termék adatlapját, és igazolást kérniük a szállítótól arra vonatkozóan, hogy az akkumulátor kompatibilis-e a konkrét járműrendszerrel, amelyre szánták – ne támaszkodjanak általános megállapításokra a kémiai összetétellel kapcsolatban. A litium-akkumulátorok járművekben és egyéb alkalmazásokban történő felhasználásáról bővebb áttekintést a litium-akkumulátoros oszlopvezető útmutató nyújt.

_______________________________________________________________________

GYIK

Nátrium-ion akkumulátor litium-ion be akkumulátor cseréje után?

Nem. Az általános működési elv —a két elektród közötti megfordítható ionmozgás —ugyanaz. Az anyagok különböznek. A nátrium-ion elemek nátrium-alapú katódokat, kemény szén anódokat és nátriumsó elektrolitot használnak, míg a litium-ion elemek litium-alapú katódokat és grafit anódokat alkalmaznak.

Nátrium-ion akkumulátorok szükséges egy B MS?

Igen. Az autóipari nátrium-ion akkumulátorokhoz szükség van egy akkumulátorkezelő rendszerre (BMS), amely figyeli az egyes elemek feszültségét, kiegyenlíti az elemeket, szabályozza a töltést és a kisütést, valamint védje a modult a biztonságtalan feltételektől.

Lehet-e egy nátrium-ion akkumulátor akkumulátort egy normál ólom -savas töltővel tölteni?

Általában nem. A nátrium-ion elemek feszültségtartománya és töltési profilja eltér a cink-ólmós akkumulátorokétól. Az össze nem illő töltő használata károsíthatja a modult. Mindig kövesse az akkumulátor gyártójának töltési utasításait, és olyan töltőt használjon, amelyet a konkrét nátrium-ion termékhez hagytak jóvá.