Натрий-иондық аккумулятор қалай жұмыс істейді

Қалай Натрий-ионды Батарея Жұмыс?

Натрий-ионды элемент энергияны сақтайды және оны екі электрод арасында натрий иондарының бақыланатын қозғалысы арқылы босатады. Бұл механизм тақтада литий-ионды элементке ұқсас көрінеді, бірақ материалдар, ион өлшемі және бірнеше практикалық салдар өзгеше. Автомобильдердегі старт-стоп қолданбалары үшін натрий-ионды аккумуляторларды бағалайтын кез келген адам үшін элементтің аккумулятор ішінде қалай жұмыс істейтінін түсіну — кейінгі барлық техникалық сипаттамаларды, салыстыруларды және сатып алу шешімдерін қабылдаудың бастапқы нүктесі болып табылады.

_______________________________________________________________________

Натрий-ионды элементтің негізгі құрылымы

Натрий-ионды элемент басқа да көптеген қайта зарядталатын химиялық элементтер сияқты негізгі бөліктерден тұрады: оң электрод (катод), теріс электрод (анод), оларды физикалық тұрғыдан бөріп тұратын бөлгіш, екі электрод арасында иондарды тасымалдайтын электролит және әрбір электродты сыртқы контакттарға қосатын ток жинағыштар.

Сол компоненттерде қолданылатын материалдар натрий-иондық элементті литий-иондық элементтен ажыратады. Натрий-иондық элементтерде әдетте мыналар қолданылады:

• Натрий қосылысы бар катод , сияқты қабатты өтпелі металл оксидтері (мысалы, NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2 және оған ұқсас құрамдар), Пруссиан көк аналогтары немесе полианиондық қосылыстар. Дәл химиялық құрам өндірушіге және қолдану мақсатына байланысты өзгереді.

• Қатты көміртегі аноды , бұл натрий-иондық химия үшін ең кең таралған анод материалы. Зарядталған кезде натрий иондары ретсіз көміртегі құрылымына сіңіріледі.

• Натрий тұзы бар сұйық электролит — ең көп таралғаны NaPF6 немесе NaClO4 —карбонатты еріткіштерде ерітілген. Кейбір конструкциялар гель немесе қатты күйдегі электролиттерді қолданады, бірақ бұлар қазіргі уақытта коммерциялық автомобильдік аккумуляторларда аз қолданылады.

• Алюминий ток жинағыштары екі жағында да. Бұл литий-иондық элементтерден маңызды айырмашылық, себебі мыс анодтық жағында қолданылуы керек, өйткені алюминий төмен кернеулерде литиймен әрекеттеседі. Натрий типтік элемент потенциалдарында алюминиймен қосылыс түзбейді, сондықтан екі жағында да алюминий фольгасын қолдануға болады, бұл элементтің өндірісін жеңілдетеді және материалдық шығындарды азайтады.

Кеуекті бөлгіш — әдетте полимерлік мембрана — катод пен анодты физикалық түрде бөледі, бірақ натрий иондарының өтуіне мүмкіндік береді. Бөлгіш электролитке сіңдіріледі және екі электрод арасындағы көпір ретінде қызмет етеді. Содан кейін элемент қатты қорапқа (цилиндрлік, призмалық немесе пакетті форматта) орналастырылады және батареялық блоктың сыртына қосылатын шығыстары болады.

Разряд кезінде не болады

Батарея қуат берген кезде — мысалы, стартерлік қозғалтқыш қозғалтқышты іске қосқан кезде —натрий иондары электролит арқылы анодтан катодқа қозғалады. Сол уақытта электрондар анодта босап шығады, сыртқы тізбек арқылы өтеді және катодқа қайта кіреді.

Натрий иондарының қозғалысы мен электрондардың ағысы

Анод жағында натрий қатты көміртектің құрылымынан шығып, Na иондары ретінде электролитке енеді.

Катод жағында осы Na иондары катод материалына енеді, ал сыртқы тізбек арқылы келген электрондар катодтың негізгі затын тотықсыздандырады. Екі ағыс —иондар электролит арқылы және электрондар сым арқылы —жылдамдықтары бойынша сәйкес келуі керек, сондықтан аккумулятордың беруі мүмкін сыртқы токтың шегі негізінен иондардың ұяшық ішінде қаншалықты тез қозғала алатынымен анықталады.

Автокөліктегі аккумуляторда бұл электрондар ағысы стартер қозғалтқышын, от алғызғыш жүйесін, жарықтандыру, ақпараттық-ойын жүйесін және көліктің барлық борттық электрондық құрылғыларын қоректендіреді. Старт-стоп көлігінде бұл разрядталу процесі әрбір саяхатта бірнеше рет қайталанады: қозғалтқыш бағдаршамда тоқтаған сайын аккумулятор электрлік жүйелерді әрі қарай қоректендіреді, ал қозғалтқыш қайта іске қосылғанда аккумулятор стартерге жоғары ток импульсін береді. Элемент осы жоғары жиілікті, жиі циклданатын режимді, бір реттік терең разрядтан гөрі, шыдай алуы керек.

_______________________________________________________________________

Зарядталғанда не болады

Зарядтау разрядталу реакциясын кері бағытта өзгертеді. Бір рет элементке сыртқы кернеу қолданылғаннан кейін —іске қосылған көлікте альтернатор арқылы немесе жұмыс орнында сыртқы зарядтағыш арқылы — натрий иондары катодтан шығып, электролит арқылы өтіп, қатты көміртекті анодқа қайта енеді. Бір уақытта электрондар катодтан шығып, сыртқы тізбек арқылы өтіп, анодта ұяшыққа қайта кіреді. Энергия натрий иондары анод құрылымына қайта итерілген кезде сақталады, олар келесі разрядта қайтадан босатылуға дайын.

Start-Stop автокөлігінде айнымалы ток генераторы қозғалтқыш жұмыс істеп тұрған кезде зарядтаудың көп бөлігін орындайды. Бұндай жағдайда аккумулятор әдетте толық зарядталу деңгейіне (100%) сирек жетеді — ол әдетте шамамен 60% пен 90% арасындағы жартылай зарядталу күйінде жұмыс істейді, сонымен қатар жиі қысқа уақытты разрядтау мен зарядтау циклдары болады. Сондықтан Start-Stop қолданысы үшін ең маңыздысы — осындай циклдарға жақсы төзімді және жартылай зарядталу күйінде тиімді заряд қабылдай алатын аккумуляторлық химия, ал ең жоғары мүмкін толық заряд сыйымдылығын ұсынатын аккумулятор емес.

_______________________________________________________________________

Температураның реакцияға әсері

Температура элемент ішіндегі екі нәрсені өзгертеді:

• Ион ұтқырлық төмен температурада электролит ұзақ ұстағыштылығы жоғарылап, иондардың қозғалысы баяулайды. Бұл элементтің жоғары ток беру немесе қабылдау қабілетін төмендетеді, сондықтан аккумуляторлар қыста іске қосу қуатын жоғалтады.

• Теппе кинетика жоғары температурада электродтық реакциялар тезірек жүреді, бірақ артық қызу электролиттің ыдырауы, катодтан өтпелі металлдардың еруі және анодта қатты электролиттік шекаралық қабат (SEI) қабатының өсуі сияқты жанама реакцияларды жеделдетуі мүмкін. Уақыт өте келе бұл жанама реакциялар сыйымдылықты азайтады және циклдық өмірді қысқартады.

Натрий-иондық химиясы жиі кейбір литий химиясына қарағанда төмен температурада иондардың тасымалдануын жақсартады деп талқыланады, себебі натрийдің кішірек десольвация энергиясы мен әлсіз сольвация қабығы иондардың электродтық шекарада еріткіш молекулаларынан босатылуын жеңілдетеді. Алайда іс жүзінде нақты автомобильдік өнімнің суықта қозғалыс қабілеті тек химияға емес, сонымен қатар элементтің конструкциясына, электролиттің құрамына, BMS шектеулеріне және аккумуляторлық блоктың инженерлік шешімдеріне тәуелді. Жалпы тұжырымдамаларға қарағанда сынақ сертификаты немесе өндірушінің техникалық сипаттамасы сенімдірек.

_______________________________________________________________________

Неге BMS аккумулятордың жұмыс істеуінің бір бөлігі болып табылады

Натрий-ионды автомобильдық аккумулятор — бұл тек ғана элементтер емес. Аккумуляторды басқару жүйесі (BMS) — бұл элементтердің қалай пайдаланылатынын және қалай қорғалатынын қалыпты жұмыс кезінде бақылайтын жүйе. Start-Stop аккумуляторында BMS әдетте мыналарды орындайды:

• Зарядтау кезінде элементтерді теңестіру, яғни аккумуляторлық блоктағы жеке элементтердің заряд күйі бір-біріне жақын болуын қамтамасыз ету. • Зарядтау кезінде элементтерді теңестіру, яғни аккумуляторлық блоктағы жеке элементтердің заряд күйі бір-біріне жақын болуын қамтамасыз ету.

• Әрбір элемент немесе элементтер тобы үшін кернеу, ток және температураны бақылау. • Әрбір элемент немесе элементтер тобы үшін кернеу, ток және температураны бақылау.

• Ашық зарядтау, ашық разрядтау, қысқа тұйықталу және артық токтан қорғау. • Ашық зарядтау, ашық разрядтау, қысқа тұйықталу және артық токтан қорғау.

• Заряд күйі (SOC) және денсаулық күйі (SOH) бағалауы, оның негізінде автомобиль Start-Stop функциясын сөндіруге, қосымша құрылғылардың жарықтығын азайтуға немесе жүргізушіге хабарлама беруге шешім қабылдайды. • Заряд күйі (SOC) және денсаулық күйі (SOH) бағалауы, оның негізінде автомобиль Start-Stop функциясын сөндіруге, қосымша құрылғылардың жарықтығын азайтуға немесе жүргізушіге хабарлама беруге шешім қабылдайды.

• Автомобильдің электрлік жүйесімен байланыс орнату үшін lIN немесе CAN сияқты протоколдар, қолданысқа байланысты.

Химиясы литийден өзгеше болуы мүмкін, бірақ BMS рөлі негізінен сол қалпында қалады. B2B сатып алушылар үшін бұл ойыншықтарға арналған натрий-ионды аккумуляторды бағалау тек элементтің химиясында тоқтамайды дегенді білдіреді. BMS бағдарламалық жабдығы, аппараттық жабдық сапасы, сенсорлардың дәлдігі және көліктің электрлік протоколымен сәйкестігі барлығы нақты әсер ететін өнімділікке, кепілдік шығындарына және тұтынушылардың қанағаттануына тікелей әсер етеді.

_______________________________________________________________________

Бұл литий-ионды элементтен қалай ерекшеленеді

Натрий-ионды элементтің жұмыс істеу принципі литий-ионды элементке ұқсас: иондар екі электрод арасында қозғалады, электрондар сыртқы тізбектен өтеді, ал циклдау кезінде реакциялар кері қайтымды болады. Айырмашылықтар негізінен материалдар мен олардың тәжірибелік салдарында.

Негізгі айырмашылықтар:

•Ion kөлемі. Natriy ionдары litiy ionдарынан үлкен. Бұл электрод құрылымына кіру мен шығу оңайлығын әсер етеді және натрий-ионды элементтердің энергия тығыздығы әдетте негізгі литий-ионды химияларға қарағанда төмен болуының бір себебі.

• Қазіргі жинағыштар. Натрий-ионды элементтер екі жағында да алюминийді пайдалана алады, ал литий-ионды элементтер анодта мысты талап етеді. Алюминий мыстан арзандау және жеңілдеу, сондықтан элементтің құрылымын қарапайымдайды.

• Ресурстар қолжетімділігі. Натрий литийге қарағанда әлдеқайда көп және географиялық тұрғыдан кеңірек таралған. Бұл ұзақ мерзімді шығындардың бағыты мен жеткізілетін қауіпсіздікті, әсіресе жоғары көлемді қолданыстар үшін, әсер етеді.

•Энергия тығыздығы. Қазіргі коммерциялық натрий-ионды элементтердің гравиметриялық және көлемдік энергия тығыздығы әдетте негізгі литий-ионды химияларға қарағанда төмен, макет пен ұрпаққа байланысты айырмашылық әртүрлі болуы мүмкін.

Сатып алу тобы үшін практикалық сұрақ «қай химиялық құрам теориялық түрде жақсырақ» емес, «қай химиялық құрам белгілі бір көлік құралы, климат және жұмыс циклы талаптарын дұрыс құнымен қанағаттандырады» деген сұрақ. Натрий мен литий ұқсас жолдармен жұмыс істейтіні олардың біраз салыстырылатынын көрсетеді, бірақ олардың ауыстырылмайтынын білдіреді. Литий-иондық элементтің қалай жұмыс істейтінін тереңірек қарау үшін литий аккумуляторының жұмыс істеу принципін литий аккумуляторы кластерінде қараңыз.

_______________________________________________________________________

Бұл автомобильдегі старт-стоп қолданысы үшін нені білдіреді

Натрий-иондық аккумулятор старт-стоп көлігінде жақсы жұмыс істеуі үшін бірнеше шарт бір уақытта орындалуы керек:

• Зарядталу қабылдау қабілеті. Элементтің химиялық құрамы жоғары зарядталу қабылдау қабілетін қамтамасыз етуі керек, сонда генератор көліктің қайта іске қосылуы арасында және терең қосымша жүктемелерден кейін аккумуляторды тез толтыра алады.

• Суықта қозғалтқышты іске қосу тогы (CCA) . CCA бағасы көліктің қозғалтқышының көлемі мен көліктің қолданылатын аймағының климатына сай болуы керек. 25 °C температурада күшті қозғалтқышты іске қосу көрсеткішін көрсететін натрий-иондық элемент °C сол қозғалтқышты іске қосуды төмен температурада көрсетпеуі мүмкін −20 °С.

• Зарядтың бөліктелген күйіндегі циклдық өмір. аккумулятор қалалық жүрісте көптеген қозғалтқыш қайта іске қосылуларын күтуге тиіс — қалалық трафикте Start-Stop аккумуляторы аптасына жүздеген рет қозғалтқышты қайта іске қосуы мүмкін.

• BMS интеграциясы. BMS автомобильмен дұрыс қарым-қатынас орнатуы және мыңдаған бөліктелген циклдар бойынша аккумуляторлық блокты қорғауы керек. Дұрыс BMS интеграциясы болмаған жағдайда, қуатты элемент те дұрыс емес зарядтау немесе терең разрядтау нәтижесінде зақымдануы мүмкін.

Натрий-иондық аккумулятордың болуы ғана оны әрбір старт-стоп көлігіне автоматты түрде сыйғызып бермейді. Көліктің техникалық сипаттамасы, ауа-райы, зарядтау режимі және өндірушінің өзі жүргізген бағдарламалық растау жұмыстары маңызды. Сатып алу тобы әрқашан өнімнің техникалық сипаттамасын тексеріп, аккумулятордың нақты көлік жүйелерімен сәйкестігін көрсететін дәлелдерді тағамдаушыдан сұрауы керек; бұл химиялық құрам туралы жалпы пікірлерге сүйенуге қарағанда тиімдірек. Литий аккумуляторларының көліктер мен басқа қолданыстарда қалай пайдаланылатыны туралы кеңірек түсінік алу үшін литий аккумуляторы бойынша негізгі бағыттық нұсқаулықты қараңыз.

_______________________________________________________________________

Жиі қойылатын сұрақтар

Натрий-иондық аккумулятор — бұл литий-иондық қосулы аккумулятор?

Жоқ. Жалпы жұмыс істеу принципі —екі электрод арасындағы кері қозғалыс иондары —бірдей. Алайда материалдар әртүрлі. Натрий-иондық элементтерде натрий негізіндегі катодтар, қатты көміртекті анодтар және натрий тұзынан жасалған электролиттер қолданылады, ал литий-иондық элементтерде литий негізіндегі катодтар мен графитті анодтар қолданылады.

Натрий-иондық аккумуляторлар қажет Б МС?

Иә. Автомобильдік натрий-ионды аккумуляторлар ұяшық кернеуін бақылауға, ұяшықтарды теңестіруге, зарядтау мен разрядтауды басқаруға және қорапты қауіпсіз емес жағдайлардан қорғауға арналған аккумуляторларды басқару жүйесін (BMS) қажет етеді.

Натрий-ионды батарея қоректендіруге бола ма нормалды басқару -қышқылды зарядтағышпен?

Жалпы ереже бойынша — жоқ. Натрий-ионды ұяшықтардың кернеу шегі мен зарядтау сипаттамасы қорғасын-қышқылды аккумуляторлардан өзгеше. Үйлесімсіз зарядтағышты пайдалану қорапты зақымдай алады. Әрқашан аккумулятордың өндірушісінің зарядтау нұсқаулығын орындаңыз және нақты натрий-ионды өнім үшін рұқсат етілген зарядтағышты қолданыңыз.