Ako funguje batéria so sodíkovými iónmi

Ako Má sodno-iónová Batéria Work?

Sodno-iónová článka ukladá a uvoľňuje energiu prostredníctvom kontrolovanej migrácie sodných iónov medzi dvoma elektródami. Mechanizmus vyzerá na tabuli podobne ako u litio-iónovej články, avšak materiály, veľkosť iónov a niekoľko praktických dôsledkov sa líšia. Pre každého, kto hodnotí sodno-iónové batérie pre automobilové štart-stop aplikácie, pochopenie toho, ako článka v batérii skutočne funguje, je východiskovým bodom pre každú následnú špecifikáciu, porovnanie a rozhodnutie o nákupoch.

_______________________________________________________________________

Základná štruktúra vnútra sodno-iónovej články

Sodno-iónová článka je zostavená zo základných častí, ktoré sú spoločné väčšine iných dobíjateľných chemických systémov: kladnej elektródy (katódy), zápornej elektródy (anódy), separátora, ktorý ich fyzicky oddeluje, elektrolytu, ktorý prenáša ióny medzi nimi, a prúdových zbierok, ktoré pripájajú každú elektródu k vonkajším svorkám.

Materiály použité v týchto komponentoch sú to, čo od seba odlišuje sodno-iónovú bunku od lítio-iónovej bunky. Sodno-iónové bunky zvyčajne používajú:

• Katódu obsahujúcu sodík , ako vrstvené oxidy prechodných kovov (napríklad NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2 a podobné zloženia), analógy pruskej modrej alebo zlúčeniny typu polyanión. Presná chemická zloženie sa líši podľa výrobcu a určeného použitia.

• Anódu z tvrdého uhlíka , ktorá je najviac rozšíreným anódovým materiálom pre sodno-iónovú chemiu. Počas nabíjania sa sodné ióny začínajú vsákať do neusporiadanej uhlíkovej štruktúry.

• Tekutý elektrolyt obsahujúci sodnú soľ — najčastejšie NaPF6 alebo NaClO4 —rozpustenú v rozpúšťadlách na báze karbonátov. Niektoré návrhy využívajú želové alebo tuhé elektrolyty, avšak tieto sú v súčasných komerčných automobilových batériách menej rozšírené.

• Hliníkové zbieracie dosky na obe strany. Toto je významný rozdiel oproti článkom s lítiovými iónmi, kde sa na anódovej strane musí používať meď, pretože hliník reaguje s lítium pri nízkych napätia. Sodík sa pri bežných napätiach článkov nezlučuje s hliníkom, takže na oboch stranách možno použiť hliníkovú fóliu, čo zjednodušuje výrobu článkov a zníži náklady na materiál.

Pórovitý separátor – zvyčajne polymérna membrána – fyzicky oddeluje katódu a anódu, pričom stále umožňuje prechod sodíkových iónov. Separátor je nasýtený elektrolytom a funguje ako most medzi dvoma elektródami. Článok sa potom uzatvorí v pevnom puzdre (valcového, hranolového alebo vreckového tvaru) s terminálmi, ktoré sa pripájajú na vonkajšiu stranu batériového balíka.

Čo sa deje počas vybíjania

Keď batéria dodáva výkon – napríklad keď štartovací motor rozbehne motor —sodíkové ióny sa pohybujú z anódy na katódu cez elektrolyt. Súčasne sa elektróny uvoľňujú na anóde, prechádzajú vonkajším obvodom a znovu vstupujú na katódu.

Pohyb sodíkových iónov a tok elektrónov

Na strane anódy sodík opúšťa štruktúru tvrdého uhlíka a vstupuje do elektrolytu ako ióny Na.

Na strane katódy sa tieto ióny Na začínajú vsádzať do materiálu katódy, zatiaľ čo elektróny prichádzajúce cez vonkajší obvod redukujú nosnú látku katódy. Tieto dva prúdy —iónov cez elektrolyt a elektrónov cez vodič —musia mať rovnakú rýchlosť, preto je vonkajší prúd, ktorý batéria dokáže dodávať, zásadne obmedzený rýchlosťou, akou sa ióny môžu pohybovať vo vnútri článku.

V automobilovej batérii tento tok elektrónov napája štartovací motor, zapalovanie, osvetlenie, systém informácií a zábavy a všetky palubné elektronické zariadenia vozidla. V vozidle so systémom Start-Stop sa tento proces vybíjania opakuje počas každej jazdy mnohokrát: vždy, keď sa motor zastaví na semaforoch, batéria naďalej napája elektrické systémy, a vždy, keď sa motor znovu spustí, batéria dodáva výkonový impulz vysokého prúdu pre štartovanie. Táto článková jednotka musí odolať tomuto režimu častého cyklovania pri vysokom prúde, nie iba jednorazovému hlbokému vybíjaniu.

_______________________________________________________________________

Čo sa deje počas nabíjania

Nabíjanie obracia reakciu vybíjania. Keď sa na článkovú jednotku pripojí vonkajšie napätie, —striedavým generátorom v bežiacom vozidle alebo vonkajším nabíjačom v dielni – ióny sodíka opúšťajú katódu, prechádzajú elektrolytom späť a znovu sa začínajú vsádzať do anódy z tvrdého uhlíka. Súčasne sa elektróny odoberajú z katódy, prechádzajú vonkajším obvodom a znovu vstupujú do článku na anóde. Energia sa ukladá tak, že ióny sodíka sú tlačené späť do štruktúry anódy, pripravené na opätovné uvoľnenie pri ďalšom vybíjaní.

V vozidle so systémom Start-Stop striedavý generátor vykonáva väčšinu dobíjania, kým je motor v chode. Batéria zvyčajne nedosiahne úplný stav nabitia 100 % pri tomto režime prevádzky – bežne pracuje v čiastočnom stave nabitia približne medzi 60 % a 90 %, pričom sa často vyskytujú krátke výboje a náboje. Preto je v aplikáciách Start-Stop dôležitejšia batériová chemická zložka, ktorá tento režim dobre zvláda a efektívne prijíma náboj v čiastočnom stave nabitia, než batéria, ktorá jednoducho ponúka najvyššiu možnú kapacitu pri plnom nabití.

_______________________________________________________________________

Ako teplota ovplyvňuje reakciu

Zmeny teploty ovplyvňujú dve veci vo vnútri článku:

• Ion mobilita . Pri nižších teplotách sa elektrolyt stáva viskóznejším a pohyb iónov sa spomaľuje. To zníži schopnosť článku dodávať alebo prijímať veľký prúd, čo je jednou z hlavných príčin straty štartovacej výkonovej schopnosti batérií v zime.

• Reakcia kinetika pri vyšších teplotách prebiehajú elektrodové reakcie rýchlejšie, avšak nadmerné zahriatie môže urýchliť vedľajšie reakcie, ako je rozklad elektrolytu, rozpustenie prechodných kovov z katódy a rast vrstvy tuhého elektrolytového rozhrania (SEI) na anóde. Postupne tieto vedľajšie reakcie znižujú kapacitu a skracujú životnosť cyklov.

Chemické zloženie sodno-iónových batérií sa často diskutuje v súvislosti s lepšou transportnou schopnosťou iónov pri nízkych teplotách v porovnaní s niektorými litiovými chemickými zloženiami, pretože menšia energia desolvatácie sodíka a slabšia solvatačná škrupina umožňujú iónu ľahšie odstrániť molekuly rozpúšťadla na rozhraní elektrody. V praxi však výkon pri spúšťaní za studena reálneho automobilového výrobku závisí od návrhu článku, zloženia elektrolytu, obmedzení riadiaceho systému batérie (BMS) a technického návrhu batériového balíka, nie iba od chemického zloženia. Skúšobný certifikát alebo technický list výrobcu je spoľahlivejší ako akékoľvek všeobecné tvrdenie.

_______________________________________________________________________

Prečo je riadiaci systém batérie (BMS) súčasťou toho, ako batéria funguje

Sodík-iónová automobilová batéria je viac než len články. Systém správy batérie (BMS) riadi, ako sa články používajú a chránia počas bežnej prevádzky. V batérii Start-Stop BMS zvyčajne rieši:

• Vyvažovanie buniek počas c nabíjanie, aby jednotlivé články v batérii zostali v podobnom stave nabitia.

• Monitor napätia, prúdu a teploty krúžok pre každú bunku alebo skupinu buniek.

• Ochrana pred prebitím, nadmerným vybitím prepätie, skraty a nadmerný prúd.

• Odhad stavu nabitia (SOC) a stavu zdravia (SOH) informácie, ktoré môže vozidlo použiť na rozhodnutie, kedy vypnúť systém Štart-Stop, stlmiť príslušenstvo alebo upozorniť vodiča.

• Komunikácia s elektrickým systémom vozidla pomocou protokoly ako LIN alebo CAN, v závislosti od konkrétneho použitia.

Chemické zloženie môže byť odlišné od lítia, avšak úloha systému riadenia batérií (BMS) je v podstate rovnaká. Pre obchodných kupujúcich to znamená, že hodnotenie sodno-iónovej batérie pre vozidlá by sa nemalo zastaviť len na úrovni chemického zloženia článkov. Firmware BMS, kvalita hardvéru, presnosť senzorov a zhoda s elektrickým protokolom vozidla priamo ovplyvňujú reálne výkonnostné parametre, náklady na záruku a spokojnosť zákazníkov.

_______________________________________________________________________

Ako sa toto líši od lítio-iónového článku

Princíp činnosti sodno-iónového článku je podobný princípu lítio-iónového článku: ióny sa presúvajú medzi dvoma elektrodami, elektróny prechádzajú vonkajším obvodom a reakcie sú počas cyklovania reverzibilné. Rozdiely sú predovšetkým v materiáloch a ich praktických dôsledkoch.

Kľúčové rozdiely zahŕňajú:

•Veľkosť iónov. Ióny sodíka sú väčšie ako ióny lítia. To ovplyvňuje, ako ľahko vstupujú do štruktúry elektród a opúšťajú ju, a je jednou z príčin, prečo majú články so sodíkovými iónmi zvyčajne nižšiu energetickú hustotu ako bežné chemické zloženia článkov s lítiovými iónmi.

• Zberače prúdu. Články so sodíkovými iónmi môžu používať hliník na oboch stranách, zatiaľ čo články s lítiovými iónmi vyžadujú meď na anóde. Hliník je lacnejší a ľahší ako meď, čo zjednodušuje návrh článkov.

• Zdroje dostupnosti. Sodík je výrazne hojnejší a geograficky rozšírenejší ako lítium. To ovplyvňuje dlhodobé cenové trendy a bezpečnosť dodávok, najmä pre aplikácie s vysokým objemom.

•Energetická hustota. Súčasné komerčné články so sodíkovými iónmi zvyčajne majú nižšiu hmotnostnú a objemovú energetickú hustotu ako bežné chemické zloženia článkov s lítiovými iónmi, hoci veľkosť medzery sa líši podľa chemického zloženia a generácie.

Pre tímy zodpovedné za nákup je praktickou otázkou nie „ktorá chemická zložka je teoreticky lepšia“, ale „ktorá chemická zložka spĺňa požiadavky konkrétneho vozidla, klímy a režimu prevádzky za správnu cenu“. Skutočnosť, že sodík a lítium fungujú podobným spôsobom, ich čiastočne porovnateľné robí, avšak neznamená, že sú navzájom vymeniteľné. Pre podrobnejší pohľad na to, ako funguje lítiová iónová bunka, pozrite si článok „Ako funguje lítiová batéria“ v rámci skupiny informácií o lítiových batériách.

_______________________________________________________________________

Čo to znamená pre automobilové systémy Start-Stop

Aby sa sodíková iónová batéria dobre osvedčila v aute so systémom Start-Stop, musia súčasne platiť nasledujúce podmienky:

• Nabitie – prijímanie. Chemické zloženie bunky musí umožňovať vysoké prijímanie náboja, aby alternátor mohol batériu rýchlo znovu nabiť medzi opätovnými štartmi a po intenzívnom zaťažení príslušenstva.

• Prúd pri chladení – CCA (Cold-Cranking Amps). Hodnota CCA musí byť dostatočná pre veľkosť motora a klimatické podmienky, v akých bude vozidlo prevádzkované. Sodíková iónová bunka, ktorá poskytuje silný štart pri teplote 25 °C °C, nemusí poskytnúť rovnaký štart pri −20 °°C.

• Životnosť cyklov pri čiastočnom stave nabitia. Batéria musí vyhovovať vysokému počtu reštartov motora, ktoré sa očakávajú pri mestskej jazde – batéria Start-Stop v mestskom premávke môže za týždeň prejsť stovkami reštartov motora.

• Integrácia BMS . BMS musí správne komunikovať s vozidlom a chrániť batériový balík počas tisícov čiastočných cyklov. Bez správnej integrácie BMS dokonca aj výkonná článková batéria môže byť poškodená nevhodným nabíjaním alebo nadmernou hĺbkou vybíjania.

Natrium-ionová batéria sa automaticky nezhoduje so všetkými vozidlami s funkciou Start-Stop len preto, lebo táto chemická zložka existuje. Dôležité sú špecifikácie vozidla, klíma, profil nabíjania a vlastné overovacie práce výrobcu. Zakupujúce tímy by mali vždy overiť technický list výrobku a požiadať dodávateľa o dôkazy kompatibility batérie so špecifickými systémami vozidla, pre ktoré je batéria určená, namiesto toho, aby sa spoliehali na všeobecné vyhlásenia o chemickom zložení. Pre celkový prehľad o používaní litiových batérií v automobiloch a iných aplikáciách pozrite si príslušný príručkový dokument o litiových batériách.

_______________________________________________________________________

Často kladené otázky

Je natrium-ionová batéria rovnaká ako litium-ionová? zapnuté stále svieti alarmová kontrolka?

Nie. Všeobecný pracovný princíp —reverzibilné presuny iónov medzi dvoma elektródami —je rovnaký. Materiály sa líšia. Natrium-ionové články používajú katódy na báze sodíka, anódy z tvrdého uhlíka a elektrolyty so sodíkovými solami, zatiaľ čo litium-ionové články používajú katódy na báze lítia a grafitové anódy.

Používajú natrium-ionové batérie potrebujete B MS?

Áno. Automobilové batérie so sodným iónom vyžadujú systém riadenia batérií (BMS) na monitorovanie napätia článkov, vyváženie článkov, riadenie nabíjania a vybíjania a ochranu batériového balíka pred nebezpečnými podmienkami.

Môže sa sodno-iónová batéria nabíjať pomocou normálne olovo -kyselého nabíjača?

Nie všeobecne. Sodno-iónové články majú iné rozsahy napätia a iné profily nabíjania ako oloveno-kyselé batérie. Použitie nekompatibilného nabíjača môže poškodiť batériový balík. Vždy dodržiavajte pokyny výrobcu batérií týkajúce sa nabíjania a používajte nabíjač, ktorý je schválený pre konkrétny sodno-iónový výrobok.