Cum funcționează o baterie cu ioni de sodiu

Cum Este o celulă cu ioni de sodiu Baterie Aparatul?

O celulă cu ioni de sodiu stochează și eliberează energie prin mișcarea controlată a ionilor de sodiu între două electrozi. Mecanismul pare similar cu cel al unei celule cu ioni de litiu pe o tablă albă, dar materialele, dimensiunea ionilor și câteva consecințe practice sunt diferite. Pentru oricine evaluează bateriile cu ioni de sodiu în aplicații auto de tip start-stop, înțelegerea modului în care funcționează efectiv celula în interiorul bateriei este punctul de plecare pentru fiecare specificație, comparație și decizie de achiziție ulterioară.

_______________________________________________________________________

Structura de bază din interiorul unei celule cu ioni de sodiu

O celulă cu ioni de sodiu este construită din aceleași părți esențiale ca și majoritatea celorlalte tehnologii recarjabile: un electrod pozitiv (catod), un electrod negativ (anod), un separator care îi menține fizic separați, un electrolit care transportă ioni între cei doi electrozi și colectori de curent care conectează fiecare electrod la bornele exterioare.

Materialele utilizate în aceste componente sunt ceea ce diferențiază o celulă cu ioni de sodiu de o celulă cu ioni de litiu. Celulele cu ioni de sodiu utilizează, în mod tipic:

• Un catod care conține sodiu , cum ar fi oxizi de metale de tranziție stratificați (de exemplu, NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2 și compoziții similare), analogi ai albastrului Prussian sau compuși de tip polianion. Chimia exactă variază în funcție de producător și de aplicația prevăzută.

• Un anod din carbon dur , care este materialul de anod cel mai utilizat pentru chimia cu ioni de sodiu. Ionii de sodiu sunt absorbiți în structura dezordonată a carbonului în timpul încărcării.

• Un electrolit lichid care conține o sare de sodiu — cel mai frecvent NaPF6 sau NaClO4 —dizolvată în solvenți pe bază de carbonați. Unele concepții folosesc electroliti gel sau în stare solidă, dar aceștia sunt mai puțin răspândiți în bateriile auto comerciale actuale.

• Colectori de curent din aluminiu pe ambele fețe. Aceasta reprezintă o diferență semnificativă față de celulele cu ion-litiu, unde trebuie folosit cupru pe partea anodului, deoarece aluminiul reacționează cu litiul la tensiuni scăzute. Sodiul nu formează aliaje cu aluminiul la potențialele tipice ale celulelor, astfel încât ambele părți pot utiliza folie de aluminiu, ceea ce simplifică fabricarea celulelor și reduce costul materialelor.

Un separator poros — de obicei o membrană polimerică — separă fizic catodul de anod, permițând în același timp trecerea ionilor de sodiu. Separatorul este impregnat cu electrolit și acționează ca o punte între cele două electrozi. Celula este apoi sigilată într-o carcasă rigidă (format cilindric, prismatic sau tip pouch), cu terminale care se conectează la exteriorul bateriei.

Ce se întâmplă în timpul descărcării

Când bateria furnizează energie — de exemplu, când un motor de pornire rotește un motor —ionii de sodiu se deplasează de la anod către catod prin electrolit. În același timp, electronii sunt eliberați la anod, parcurg circuitul extern și reintră la catod.

Deplasarea ionilor de sodiu și fluxul de electroni

Pe partea anodului, sodiul părăsește structura de carbon dur și intră în electrolit sub formă de ioni Na.

Pe partea catodului, acești ioni Na sunt inserați în materialul catodului, în timp ce electronii care sosesc prin circuitul extern reduc gazda catodului. Cele două fluxuri —ioni prin electrolit și electroni prin fir —trebuie să aibă aceeași viteză, motiv pentru care curentul extern pe care bateria îl poate furniza este fundamental limitat de viteza cu care ionii se pot deplasa în interiorul celulei.

Într-o baterie auto, acest flux de electroni alimentează motorul de pornire, sistemul de aprindere, farurile, sistemul infotainment și toate componentele electronice de bord ale vehiculului. Într-un vehicul cu funcție Start-Stop, același proces de descărcare se repetă de multe ori pe parcursul unei călătorii: de fiecare dată când motorul se oprește la un semafor, bateria continuă să alimenteze sistemele electrice, iar de fiecare dată când motorul pornește din nou, bateria furnizează o impulsă de curent intens pentru motorul de pornire. Celula trebuie să reziste acestui regim de descărcare rapidă și ciclică frecventă, nu doar unei singure descărcări profunde.

_______________________________________________________________________

Ce se întâmplă în timpul încărcării

Încărcarea inversează reacția de descărcare. Odată ce o tensiune externă este aplicată celulei —de alternatorul unui vehicul în funcționare sau de un încărcător extern dintr-un atelier — ionii de sodiu părăsesc catoda, se deplasează înapoi prin electrolit și se reintroduc în anodul din carbon dur. În același timp, electronii sunt extrasi din catodă, parcurg circuitul extern și reintră în celulă la nivelul anodului. Energia este stocată pe măsură ce ionii de sodiu sunt împinși înapoi în structura anodului, pregătiți să fie eliberați din nou la următoarea descărcare.

Într-un vehicul cu sistem Start-Stop, alternatorul efectuează cea mai mare parte a reîncărcării în fiecare moment în care motorul funcționează. Bateria ajunge rar la o stare de încărcare completă de 100 % în acest tip de utilizare — ea funcționează, de obicei, într-o stare parțială de încărcare, între aproximativ 60 % și 90 %, cu descărcări și reîncărcări scurte și frecvente. Prin urmare, în aplicațiile Start-Stop este mai importantă o chimie a bateriei care gestionează eficient acest tip de cicluri și care acceptă încărcarea în mod eficient chiar și la stări parțiale de încărcare, decât o chimie care oferă pur și simplu cea mai mare capacitate posibilă la încărcare completă.

_______________________________________________________________________

Modul în care temperatura influențează reacția

Temperatura modifică două aspecte din interiorul celulei:

• Ion mobilitate la temperaturi mai scăzute, electrolitul devine mai vâscos și mișcarea ionilor se încetinește. Acest lucru reduce capacitatea celulei de a livra sau de a accepta curenți mari, fiind unul dintre principalele motive pentru care bateriile pierd puterea de pornire în iarnă.

• Reacție cinetica la temperaturi mai ridicate, reacțiile la electrozi decurg mai rapid, dar căldura excesivă poate accelera reacțiile secundare, cum ar fi descompunerea electrolitului, dizolvarea metalelor de tranziție din catod și formarea stratului de interfață solidă electrolitică (SEI) pe anod. În timp, aceste reacții secundare reduc capacitatea și scurtază durata de viață în cicluri.

Chimia bazată pe ionii de sodiu este adesea discutată ca având o transportabilitate mai bună a ionilor la temperaturi scăzute comparativ cu unele chimii pe bază de litiu, deoarece energia mai mică de desolvatare a sodiului și învelișul său de solvație mai slab îi permit ionului să-și elimine mai ușor moleculele de solvent la interfața electrodului. În practică, performanța la pornirea rece a unui produs auto real depinde de proiectarea celulei, formularea electrolitului, limitele sistemului de management al bateriei (BMS) și ingineria pachetului, nu doar de chimie. Un certificat de testare sau o fișă tehnică de la producător este mai fiabil decât orice afirmație generală.

_______________________________________________________________________

De ce sistemul de management al bateriei (BMS) face parte integrantă din modul de funcționare a bateriei

O baterie auto cu ioni de sodiu este mai mult decât simple celule. Sistemul de gestionare a bateriei (BMS) este cel care controlează modul în care celulele sunt utilizate și protejate în timpul funcționării normale. Într-o baterie Start-Stop, BMS-ul gestionează de obicei:

• Echilibrarea celulelor în timpul c încărcare, astfel încât celulele individuale din pachet să rămână la stări de încărcare similare.

• Monitorizare tensiune, curent și temperatură inel pentru fiecare celulă sau grup de celule.

• Protecție împotriva supraîncărcării, supradescărcării sursă de alimentare, scurtcircuite și curent excesiv.

• Estimarea stării de încărcare (SOC) și a stării de sănătate (SOH) informații, pe care vehiculul le poate utiliza pentru a decide când să dezactiveze Start-Stop, să diminueze luminozitatea accesoriilor sau să alerteze șoferul.

• Comunicarea cu sistemul electric al vehiculului utilizând protocoale precum LIN sau CAN, în funcție de aplicație.

Compoziția chimică poate fi diferită de cea a litiului, dar rolul sistemului BMS rămâne esențialmente același. Pentru cumpărătorii B2B, aceasta înseamnă că evaluarea unei baterii cu ioni de sodiu pentru vehicule nu trebuie să se oprească la compoziția celulelor. Firmware-ul BMS, calitatea hardware-ului, precizia senzorilor și conformitatea cu protocoalele electrice ale vehiculului afectează direct performanța în condiții reale, costul garanției și satisfacția clienților.

_______________________________________________________________________

Cum se deosebește aceasta de o celulă cu ioni de litiu

Principiul de funcționare al unei celule cu ioni de sodiu este similar cu cel al unei celule cu ioni de litiu: ionii se deplasează între doi electrozi, electronii circulă prin circuitul extern, iar reacțiile sunt reversibile în timpul ciclării. Diferențele constau în principal în materiale și în consecințele lor practice.

Diferențele esențiale includ:

•Mărimea ionilor. Ionii de sodiu sunt mai mari decât ionii de litiu. Acest lucru influențează cât de ușor pătrund și părăsesc structura electrodului și reprezintă unul dintre motivele pentru care celulele cu ioni de sodiu au, în mod obișnuit, o densitate energetică mai scăzută decât chimismele comerciale cu ioni de litiu.

• Colectoare de curent. Celulele cu ioni de sodiu pot folosi aluminiu pe ambele fețe, în timp ce celulele cu ioni de litiu necesită cupru la anod. Aluminiul este mai ieftin și mai ușor decât cuprul, ceea ce simplifică proiectarea celulelor.

• Resurse disponibile. Sodiul este mult mai abundent și mai răspândit geografic decât litiul. Aceasta influențează traiectoriile de cost pe termen lung și securitatea aprovizionării, în special pentru aplicațiile de înalt volum.

•Densitate energetică. Celulele comerciale actuale cu ioni de sodiu au, în general, o densitate energetică gravimetrică și volumetrică mai scăzută decât chimismele comerciale cu ioni de litiu, deși diferența variază în funcție de chimism și generație.

Pentru echipele de achiziții, întrebarea practică nu este «care chimie este teoretic mai bună», ci «care chimie îndeplinește cerințele vehiculului specific, ale climatului și ale ciclului de funcționare, la costul potrivit». Faptul că sodiul și litiul funcționează în moduri similare îi face parțial comparabili, dar nu îi face interschimbabili. Pentru o analiză mai detaliată a modului de funcționare al unei celule cu ion de litiu, consultați secțiunea «Cum funcționează o baterie cu litiu» din cadrul grupului de conținut despre bateriile cu litiu.

_______________________________________________________________________

Ce înseamnă acest lucru pentru utilizarea automotive Start-Stop

Pentru ca o baterie cu ion de sodiu să funcționeze eficient într-un vehicul Start-Stop, mai multe condiții trebuie să fie îndeplinite simultan:

• Încărcare acceptată. Chimia celulei trebuie să susțină o acceptare ridicată a încărcării, astfel încât alternatorul să poată reîncărca bateria rapid între reporniri și după consumatori accesorii intensivi.

• Amperi pentru pornirea la rece (CCA) . Valoarea CCA trebuie să fie suficientă pentru dimensiunea motorului și pentru climatul în care va fi utilizat vehiculul. O celulă cu ion de sodiu care oferă o pornire puternică la 25 °C °C poate să nu ofere aceeași capacitate de pornire la −20 °°C.

• Durata de viață în ciclu la stare parțială de încărcare. Bateria trebuie să corespundă numărului mare de reporniri ale motorului așteptate în conducerea urbană — o baterie Start-Stop în traficul urban poate suferi sute de reporniri ale motorului pe săptămână.

• Integrarea BMS . BMS-ul trebuie să comunice corect cu vehiculul și să protejeze ansamblul pe parcursul a mii de cicluri parțiale. Fără o integrare corectă a BMS-ului, chiar și o celulă robustă poate fi deteriorată datorită unei încărcări inadecvate sau a unei descărcări excesive.

O baterie cu ioni de sodiu nu se potrivește automat fiecărui vehicul Start-Stop doar pentru că această tehnologie chimică există. Specificațiile vehiculului, climatul, profilul de încărcare și propriile teste de validare efectuate de producător sunt toate factori importanți. Echipele de achiziții trebuie să verifice întotdeauna fișa tehnică a produsului și să solicite furnizorului dovezi privind compatibilitatea bateriei cu sistemele specifice ale vehiculului pentru care este destinată, în loc să se bazeze pe declarații generale referitoare la tehnologia chimică. Pentru o perspectivă mai amplă asupra modului în care bateriile cu litiu sunt utilizate în vehicule și alte aplicații, consultați ghidul dedicat pilonului bateriilor cu litiu.

_______________________________________________________________________

Întrebări frecvente

Este o baterie cu ioni de sodiu aceeași cu o baterie cu litiu- pornit bateriei?

Nu. Principiul general de funcționare —mișcarea reversibilă a ionilor între doi electrozi —este același. Materialele folosite sunt diferite. Celulele cu ioni de sodiu utilizează catoduri pe bază de sodiu, anoduri din carbon dur și electrolit cu sare de sodiu, în timp ce celulele cu ioni de litiu folosesc catoduri pe bază de litiu și anoduri din grafit.

Folosesc bateriile cu ioni de sodiu baterii aveți nevoie de o B MS?

Da. Bateriile auto cu ioni de sodiu necesită un sistem de management al bateriei pentru a monitoriza tensiunea celulelor, echilibra celulele, controla încărcarea și descărcarea și a proteja ansamblul împotriva condițiilor nesigure.

Poate fi o baterie cu ioni de sodiu baterie încărcată cu un încărcător cu normal plumb -acid?

Nu, în general. Celulele cu ioni de sodiu au ferestre de tensiune și profiluri de încărcare diferite față de bateriile cu plumb-acid. Utilizarea unui încărcător incompatibil poate deteriora ansamblul. Respectați întotdeauna instrucțiunile producătorului privind încărcarea bateriei și folosiți un încărcător aprobat pentru produsul specific cu ioni de sodiu.