איך פועלת סוללת נתרן-יון

איך האם סלולת נתרן-יון סוֹלְלָה סנכר?

סלולת נתרן-יון מאגרת ומשחררת אנרגיה דרך תנועה מבוקרת של יוני נתרן בין שני אלקטרודות. המנגנון נראה דומה לסלולת ליתיום-יון על הלוח הלבן, אך החומרים, גודל היון ומספר תוצאות מעשיות הן שונות. עבור כל מי שבודק סוללות נתרן-יון ליישומים אוטומטיים של הפעלה והשהיה, הבנת האופן שבו הסלולה פועלת באמת בתוך הסוללה היא נקודת ההתחלה לכל مواصفה, השוואה והחלטת רכישה שיבואו אחריה.

_______________________________________________________________________

המבנה הבסיסי בתוך סלולת נתרן-יון

סלולת נתרן-יון נבנית מאותם חלקים עיקריים כמו רוב כימיות הטעינה האחרות: אלקטרודה חיובית (קתודה), אלקטרודה שלילית (אנודה), מפריד שמונע מגע פיזי ביניהן, אלקטרוליט שמעביר יונים ביניהן, ומקבלי זרם שמחברים כל אלקטרודה לקצות החיצוניים.

החומר שבו משתמשים ברכיבים אלו הוא מה שמבדיל תא יוני נתרן מתא יוני ליתיום. תאי יוני נתרן משתמשים בדרך כלל ב:

• קתודה המכילה נתרן , כמו תחמוצות של מתכות מעבר שכבתיות (למשל, NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2 והרכב דומה), אנלוגים של כחול פרוסיה או תרכובות מסוג פוליאניון. הכימיה המדויקת משתנה בהתאם לייצרן ולשימוש הרצוי.

• אנודה מפחם קשה , שהיא חומר האנודה הנפוץ ביותר עבור כימיה של יוני נתרן. יוני הנתרן נספגים בתוך מבנה הפחם הלא מסודר בעת הטעינה.

• אלקטרוליט נוזלי המכיל מלח נתרן — בדרך כלל NaPF6 או NaClO4 —בממסים מבוססי קרבונטים. חלק מהעיצובים משתמשים באלקטרוליט ג'ל או במצב מוצק, אך אלה פחות נפוצים בסוללות רכב מסחריות כיום.

• מאגרי זרם מאלומיניום ב שני הצדדים. זה הבדל משמעותי מתאי ליתיום-יון, שבהם יש להשתמש בנחושת בצד האנודה מכיוון שהאלומיניום מגיב עם הליתיום במתחים נמוכים. הנתרן לא יוצר שילוב עם האלומיניום במתחים טיפוסיים של התא, ולכן ניתן להשתמש בע foil אלומיניום בשני הצדדים, מה שפישט את ייצור התאים ומחסוך בעלויות החומר.

מפריד פרוץ — בדרך כלל ממברנה פולימרית — מפריד פיזית בין הקתודה לאנודה, אך עדיין מאפשר לעיונים הנתרניים לעבור דרכו. המפריד רטוב באלקטרוליט ופועל כגשר בין שני האלקטרודות. לאחר מכן סוגרים את התא בתוך מעטפת קשיחה (בצורת צילינדר, פריזמה או שקית) עם חיבורים שמחברים לחוץ של חבילת הסוללה.

מה קורה במהלך פריקה

כאשר הסוללה מספקת כוח — למשל, כאשר מנוע ההפעלה מסובב את המנוע —יונים של נתרן זורמים מהאנודה לקטודה דרך האלקטרוליט. במקביל, אלקטרונים נפלטים מהאנודה, עוברים דרך המעגל החיצוני ונכנסים מחדש לקטודה.

תזוזת יוני הנתרן וזרימת האלקטרונים

בצד האנודה, נתרן עוזב את מבנה הפחמן הקשיח ונכנס לאלקטרוליט כיונים של Na.

בצד הקטודה, יוני ה־Na האלה מוטמעים בחומר הקטודה, בעוד האלקטרונים שמגיעים דרך המעגל החיצוני מפחיתים את חומר המארח של הקטודה. שני הזרמים —יונים דרך האלקטרוליט ואלקטרונים דרך החוט —חייבים להתאים את קצבם זה לזה, ולכן הזרם החיצוני שהסוללה יכולה לספק מוגבל באופן בסיסי על־ידי המהירות שבה יונים יכולים לזוז בתוך התא.

בסוללה אוטומובילית, זרימת האלקטרונים הזו מפעילה את מנוע ההפעלה, מערכת ההצתה, התאורה, מערכות הבידור והבידור, וכל הרכיבים האלקטרוניים המותקנים ברכב. ברכב עם טכנולוגיית הפעלה-עצירה, תהליך הפריקה הזה חוזר על עצמו מספר רב של פעמים בכל נסיעה: בכל פעם שהמנוע עוצר באור אדום, הסוללה ממשיכה לספק חשמל למערכות החשמל, ובכל פעם שהמנוע מופעל מחדש, הסוללה מספקת פולס זרם חזק למנוע ההפעלה. התא חייב לשרוד את דפוס הפריקות התכופות בעוצמה גבוהה זו, ולא רק פריקה עמוקה אחת בלבד.

_______________________________________________________________________

מה קורה במהלך הטעינה

הטעינה הופכת את תהליך הפריקה. לאחר שמתחלף מתח חיצוני על התא —על ידי המנורה ברכב בתנועה, או על ידי מטען חיצוני במעבדה — יוני הנתרן עוזבים את הקתודה, עוברים בחזרה דרך האלקטרוליט ונכנסים מחדש לאנודה של פחמן קשה. במקביל, אלקטרונים נמשכים מהקתודה, עוברים דרך המעגל החיצוני ונכנסים מחדש לתא באנודה. האנרגיה נשמרת כשיוני הנתרן נדחפים חזרה למבנה האנודה, מוכנים להשתחרר שוב בפריקה הבאה.

בכלי רכב עם מערכת הפעלה-עצירה, המנורה מבצעת את רוב תהליך הטעינה מחדש כל עוד המנוע פועל. הסוללה כמעט ולא מגיעה למצב טעינה מלא של 100% בשירות מסוג זה — היא פועלת בדרך כלל במצב טעינה חלקי בין כ-60% ל-90%, עם התפרצויות קצרות ומרובות של פריקה וטעינה. לכן, כימיה של סוללה שמתמודדת היטב עם דפוס זה, ושמקבלת טעינה ביעילות במצבים של טעינה חלקיים, חשובה יותר ביישום של מערכות הפעלה-עצירה מאשר כימיה שפשוט מציעה את קיבולת הטעינה המלאה הגבוהה ביותר האפשרית.

_______________________________________________________________________

איך הטמפרטורה משפיעה על התגובה

הטמפרטורה משנה שני דברים בתוך התא:

• יון ניידות בטמפרטורות נמוכות, الإلكטרוליט הופך צמיגי יותר ותנועת היונים замSlow. זה מפחית את היכולת של התא לספק או לקבל זרם גבוה, מה שמהווה אחת הסיבות העיקריות לכך שסוללות מאבדות כוח הפעלה בחורף.

• תגובה קינטיקה בטמפרטורות גבוהות יותר תגובות האלקטרודות מתקדמות מהר יותר, אך חום מופרז עלול להאיץ תגובות צדדיות כגון פירוק אלקטרוליט, התמוססות מתכות מעבר מהקטודה וצמיחת שכבת הפאזת הבין-אלקטרוליט המוצקה (SEI) על האנודה. עם הזמן, תגובות צדדיות אלו מפחיתות את הקיבולת ומקצרות את חיי המחזור.

כימיה של יוני נתרן נידונה לעיתים קרובות כבעלת תחבורה טובה יותר של יונים בטמפרטורות נמוכות בהשוואה לכימיות ליתיום מסוימות, מכיוון שאנרגיית ההסרה מהמולקולות הסולבנט של נתרן קטנה יותר והמעטפת הסולבנטית שלה חלשה יותר, מה שמאפשר ליון להיפטר מהמולקולות הסולבנטיות שלו במעבר למשטח האלקטרודה בקלות רבה יותר. עם זאת, במציאות, ביצועי הפעלה קרה של מוצר רכב אוטומטי תלויים בעיצוב התא, בתערובת האלקטרוליט, בגבולות מערכת הניהול של הסוללה (BMS) ובהנדסת החבילה – ולא רק בכימיה. תעודה לבדיקה או גיליון נתוני יצרן מהימן יותר מכל טענה כללית.

_______________________________________________________________________

מדוע מערכת הניהול של הסוללה (BMS) היא חלק מהאופן שבו הסוללה עובדת

סוללת רכב יון-נתרן היא יותר מאשר רק תאים. מערכת ניהול הסוללה (BMS) היא ששליטה באיך התאים משמשים ומוגנים במהלך הפעולה הרגילה. בסוללת Start-Stop, המערכת מטפלת בדרך כלל ב:

• איזון תאים בזמן הטעינה, כדי שהתאים הבודדים בחבילה ישארו ברמות דומות של טעינה.

• ניטור מתח, זרם וטמפרטורה לכל תא או קבוצת תאים.

• הגנה מפני טעינה יתר, פריקה יתר, קצר וזרם עליון מדי. • הערכת מצב הטעינה (SOC) ומצב הבריאות (SOH), אשר הרכב עלול להשתמש בהן כדי להחליט מתי לשבות את פונקציית Start-Stop, להפחית את האור של התקנים או להודיע לנהג.

• תקשורת עם מערכת החשמל של הרכבת באמצעות מידע שאותו יכול הרכבת להשתמש כדי להחליט מתי לבטל את פונקציית ההפעלה והעצירה האוטומטית, להפחית את בהירות התוספות או להזהיר את הנהג.

• תקשורת עם מערכת החשמל של הרכבת באמצעות פרוטוקולים כמו LIN או CAN, בהתאם ליישום.

הכימיה עשויה להיות שונה מליתיום, אך תפקיד מערכת ניהול הסוללות (BMS) הוא ביסודו זהה. לקונים מסחריים (B2B), זה אומר שבחינת סוללת נתרן-יון לרכב לא צריכה להסתיים בכימיה של התאים בלבד. תוכנת ה-BMS, איכות החומרה, דיוק החיישנים והתאמה לפרוטוקול החשמלי של הרכב משפיעים ישירות על הביצועים במציאות, על עלות האחריות ועל שביעות רצון הלקוח.

_______________________________________________________________________

איך זה שונה מתא ליתיום-יון

עקרון הפעולה של תא נתרן-יון דומה לזה של תא ליתיום-יון: יונים נעים בין שני אלקטרודות, אלקטרונים זורמים דרך המעגל החיצוני וההתגובות הפיכות במהלך המחזורים. ההבדלים הם בעיקר בחומרים ובהתוצאות המערכתיות שלהם.

ההבדלים המרכזיים כוללים:

•גודל היונים. יוני הנתרן גדולים מיוני הליתיום. זה משפיע על קלות הכניסה והיציאה שלהם מבנה האלקטרודה, וזו אחת הסיבות לכך שתאי נתרן-יון בדרך כלל מציגים צפיפות אנרגיה נמוכה יותר מתאי ליתיום-יון נפוצים.

• אוספי זרם. בתאי נתרן-יון ניתן להשתמש באלומיניום משני הצדדים, בעוד שבתאי ליתיום-יון יש להשתמש בנחושת באנודה. אלומיניום זול וקל יותר מנחושת, מה שמקל על תכנון התא.

• משאבים זמינות. הנתרן נמצא בשפע רב יותר ומופץ גאוגרפית יותר מליתיום. זה משפיע על מסלולי העלויות ארוכות הטווח ועל ביטחון האספקה, במיוחד ליישומים בעלי נפח גבוה.

•צפיפות אנרגיה. בתאי נתרן-יון מסחריים כרגע יש בדרך כלל צפיפות אנרגיה מסתית ונפחית נמוכה יותר מתאי ליתיום-יון נפוצים, אם כי הפער משתנה בהתאם לכימיה ולדור.

לצוותי הקנייה, השאלה המעשית איננה "אילו כימיה טובה יותר בתיאוריה", אלא "אילו כימיה עונה על הדרישות של הרכב הספציפי, האקלים והמחזור המסוים במחיר הנכון". העובדה שסודיום וליתיום פועלים בדרך דומה עושה אותם ניתנים להשוואה חלקית, אך אינה הופכת אותם להחלפיים. למבט קרוב יותר על פעולת תא ליתיום-יון, ראו כיצד סוללת ליתיום עובדת במכלול סוללות הליתיום.

_______________________________________________________________________

מה זה אומר לשימוש ברכב עם מערכת הפעלה עצמאית (Start-Stop)

כדי שסוללת סודיום-יון תפעל היטב ברכב עם מערכת הפעלה עצמאית (Start-Stop), חייבות להתקיים בו זמנית כמה תכונות:

• קיבולת טעינה הכימיה של התא חייבת לתמוך בקיבולת טעינה גבוהה, כדי שהאלטרנטור יוכל למלא את הסוללה במהירות בין הפעלות חוזרות של המנוע ולאחר עומסים חזקים של ציוד נלווה.

• זרם הפעלה קרה (CCA) הדירוג CCA חייב להיות מספיק עבור גודל המנוע והאקלים שבו יופעל הרכב. תא סודיום-יון שמספק ביצועי הפעלה חזקים ב-25 °C עשוי שלא לספק את אותו ביצועי הפעלה בטמפרטורות נמוכות −20 °°C.

• אורך חיים של מחזור תחת מצב טעינה חלקי. הסוללה חייבת להתאים למספר הגבוה של הפעלות מחדש של המנוע שמצופה בנהיגה בערים — סוללת Start-Stop בתנועה עירונית עלולה לחוות מאות הפעלות מחדש של המנוע בכל שבוע.

• אינטגרציה של מערכת ניהול הסוללות (BMS). מערכת ניהול הסוללות חייבת לתקשר כראוי עם הרכבת ולגונן על החבילה לאורך אלפי מחזורי טעינה חלקיים. ללא אינטגרציה נכונה של מערכת ניהול הסוללות, גם תא חזק יכול להיפגע עקב טעינה לא מתאימה או עומק פריקה מופרז.

סוללת נתרן-יון אינה מתאימה אוטומטית לכל רכב עם מערכת הפעלה עצמאית (Start-Stop) רק בגלל שהכימיה קיימת. תיאור הרכב, האקלים, פרופיל הטעינה ועבודת האישור של יצרן הסוללה – כולם חשובים. צוותי הקנייה חייבים תמיד לבדוק את דף הנתונים של המוצר ולבקש מהספק ראיות לתאימות עם מערכות הרכב הספציפיות עבורן מיועדת הסוללה, במקום לסמוך על הצהרות כלליות לגבי הכימיה. לעיון רחב יותר באיך סוללות ליתיום משמשות ברכבים וביישומים אחרים, ראו את המדריך העמודי לסוללות ליתיום.

_______________________________________________________________________

שאלה נפוצה

האם סוללת נתרן-יון היא אותה סוללה כמו ליתיום-יון? פועל סוללה?

לא. עקרון הפעולה הכללי —תנועה הפיכה של יונים בין שני אלקטרודות —הוא זהה. החומרים שונים. תאים של נתרן-יון משתמשים בקתודות מבוססות נתרן, באנודות פחמן קשה ואלקטרוליטים המבוססים על מלח נתרן, בעוד שתאי ליתיום-יון משתמשים בקתודות מבוססות ליתיום ואנודות גרפיט.

האם סוללות נתרן-יון סוללות צריך B מתאימות ל-MS?

כן. סוללות נתרן-יון לרכב דורשות מערכת ניהול סוללות כדי לפקח על מתח התאים, לאזן את התאים, לשלוט בתהליך הטעינה והפריקה, ולגן על החבילה מפני מצבים מסוכנים.

האם ניתן לטעון נתרן-יון סוֹלְלָה בעזרת מטען חומצי נורמלי עופרת ?

לא ככלל. לתאי נתרן-יון יש חלונות מתח ופרופילי טעינה שונים מאלו של סוללות עופרת-חומצה. שימוש במטען שאינו תואם עלול לפגוע בחבילה. יש תמיד לפעול לפי הוראות היצרן של הסוללה ולהשתמש במטען שאושר לשימוש עם מוצר נתרן-יון מסוים.