Як працює натрій-іонний акумулятор

Як Чи є це натрій-іонна Акумулятор - Робота?

Натрій-іонна комірка зберігає та вивільняє енергію за рахунок контрольованого руху іонів натрію між двома електродами. Механізм виглядає подібно до літій-іонної комірки на дошці, але матеріали, розмір іонів та кілька практичних наслідків відрізняються. Для будь-кого, хто оцінює натрій-іонні акумулятори для автомобільних систем старт-стоп, розуміння того, як саме працює комірка всередині акумулятора, є початковою точкою для кожного специфікаційного, порівняльного та закупівельного рішення, що йде далі.

_______________________________________________________________________

Основна структура всередині натрій-іонної комірки

Натрій-іонна комірка складається з тих самих основних частин, що й більшість інших перезаряджуваних хімічних систем: позитивного електрода (катода), негативного електрода (анода), сепаратора, який фізично розділяє їх, електроліту, що переносить іони між двома електродами, та струмовідводів, які підключають кожен електрод до зовнішніх клем.

Матеріали, використані в цих компонентах, відрізняють натрій-іонну комірку від літій-іонної. Натрій-іонні комірки зазвичай використовують:

• Катод, що містить натрій , такі як шаруваті оксиди переходних металів (наприклад, NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2 та подібні склади), аналоги прусського синього або поліаніонні сполуки. Точний хімічний склад залежить від виробника та призначення.

• Анод із твердого вуглецю , який є найпоширенішим анодним матеріалом для натрій-іонних систем. Під час заряджання йони натрію включаються в безладну вуглецеву структуру.

• Рідкий електроліт, що містить сіль натрію — найчастіше NaPF6 або NaClO4 —, розчинену в карбонатних розчинниках. Деякі конструкції використовують гелеві або твердотільні електроліти, але вони ще не поширені в комерційних автомобільних акумуляторах.

• Алюмінієві струмозбірники на обох сторонах. Це суттєва відмінність від літій-іонних елементів, у яких мідь має використовуватися на анодному боці, оскільки алюміній реагує з літієм при низьких напругах. Натрій не утворює сплавів з алюмінієм при типових потенціалах елемента, тому обидва електроди можуть використовувати алюмінієву фольгу, що спрощує виробництво елементів і зменшує вартість матеріалів.

Пористий роздільник — зазвичай полімерна мембрана — фізично розділяє катод і анод, одночасно дозволяючи йонам натрію проходити крізь нього. Роздільник насичений електролітом і виступає мостом між двома електродами. Потім елемент герметизують у жорсткому корпусі (циліндричному, призматичному або мішечковому форматі) з виводами, що підключаються до зовнішньої частини батарейного блоку.

Що відбувається під час розряду

Коли акумулятор віддає енергію — наприклад, коли стартерний двигун прокручує двигун —іони натрію рухаються від анода до катода через електроліт. Одночасно електрони виділяються на аноді, проходять через зовнішнє коло й знову входять у катод.

Рух іонів натрію та потік електронів

З боку анода натрій виходить із структури твердого вуглецю й надходить у електроліт у вигляді іонів Na.

З боку катода ці іони Na вбудовуються в матеріал катода, тоді як електрони, що надходять через зовнішнє коло, відновлюють матрицю катода. Ці два потоки —іонів через електроліт і електронів через провід —мають збігатися за швидкістю, тому зовнішній струм, який акумулятор може забезпечити, принципово обмежений швидкістю руху іонів всередині елемента.

У автомобільному акумуляторі саме цей потік електронів забезпечує роботу стартерного двигуна, системи запалювання, освітлення, інформаційно-розважальної системи та всіх бортових електронних пристроїв транспортного засобу. У транспортному засобі з функцією Start-Stop такий процес розряджання повторюється багато разів під час одного рейсу: щоразу, коли двигун зупиняється на світлофорі, акумулятор продовжує живити електричні системи, а щоразу, коли двигун запускається знову, акумулятор подає короткочасний імпульс високого струму для стартера. Елемент повинен витримувати цей режим роботи з високою швидкістю та частими циклами, а не лише один глибокий розряд.

_______________________________________________________________________

Що відбувається під час заряджання

Заряджання зворотне реакції розряджання. Після прикладання зовнішньої напруги до елемента —за допомогою генератора в працюючому транспортному засобі або за допомогою зовнішнього зарядного пристрою в майстерні — йони натрію залишають катод, проходять назад через електроліт і знову вбудовуються в анод із твердого вуглецю. Одночасно електрони витягуються з катода, проходять через зовнішнє коло й знову входять у клітинку на аноді. Енергія зберігається, коли йони натрію повертаються в структуру анода й готові до звільнення під час наступного розряду.

У транспортному засобі з системою «старт-стоп» генератор виконує основну частину підзарядки, коли двигун працює. Акумулятор рідко досягає повного 100 % рівня заряду в такому режимі експлуатації — зазвичай він працює в умовах часткового заряду в діапазоні приблизно від 60 % до 90 %, із частими короткочасними циклами розряду та заряду. Тому для системи «старт-стоп» важливіше, щоб хімічний склад акумулятора добре витримував такий режим роботи й ефективно приймав заряд у стані часткового заряду, ніж те, щоб акумулятор просто мав найвищу можливу ємність при повному заряді.

_______________________________________________________________________

Як температура впливає на реакцію

Температура змінює два параметри всередині елемента:

• Іон мобільність при нижчих температурах електроліт стає більш в’язким, а рух іонів уповільнюється. Це знижує здатність елемента віддавати або приймати великий струм — саме це одна з головних причин втрати акумуляторами пускової потужності взимку.

• Реакція кінетика при вищих температурах електродні реакції проходять швидше, але надмірне нагрівання може прискорювати побічні реакції, такі як розклад електроліту, розчинення перехідних металів з катоду та утворення шару твердого електролітного інтерфейсу (SEI) на аноді. З часом ці побічні реакції зменшують ємність і скорочують термін циклічного життя.

Хімію натрій-іонних акумуляторів часто обговорюють як таку, що забезпечує кращу іонну провідність при низьких температурах порівняно з деякими літій-іонними системами, оскільки менша енергія десольвації натрію та слабша сольваційна оболонка полегшують його відділення від молекул розчинника на межі електроду. На практиці, однак, ефективність запуску двигуна при низьких температурах у реальному автомобільному акумуляторі залежить від конструкції елемента, складу електроліту, обмежень системи управління акумулятором (BMS) та інженерного рішення батарейного блоку, а не лише від хімічного складу. Свідоцтво випробувань або технічний паспорт виробника є надійнішим джерелом інформації, ніж будь-яке загальне твердження.

_______________________________________________________________________

Чому система управління акумулятором (BMS) є частиною принципу роботи акумулятора

Натрій-іонна автомобільна акумуляторна батарея — це більше, ніж просто елементи. Система керування батареєю (BMS) визначає, як елементи використовуються й захищаються під час звичайної роботи. У батареї Start-Stop система BMS зазвичай забезпечує:

• Вирівнювання напруги елементів під час заряджання, щоб окремі елементи в батарейному блоку мали приблизно однаковий ступінь заряду.

• Контроль напруги, струму та температури для кожного елемента або групи елементів. кільце для кожної комірки або групи комірок.

• Захист від перезаряджання, перерозряджання, короткого замикання та надмірного струму. неправильне заземлення, коротке замикання та надмірний струм.

• Оцінку ступеня заряду (SOC) та стану здоров’я (SOH), яку транспортний засіб може використовувати для вирішення, коли вимкнути функцію Start-Stop, знизити яскравість споживачів електроенергії або повідомити водія. інформацію, яку транспортний засіб може використовувати для визначення моменту вимкнення функції Start-Stop, приглушення аксесуарів або сповіщення водія.

• Обмін даними з електричною системою транспортного засобу за допомогою протоколи, такі як LIN або CAN, залежно від застосування.

Хімічний склад може відрізнятися від літію, але роль системи управління батареєю (BMS) залишається суттєво такою самою. Для B2B-покупців це означає, що оцінка натрій-іонної батареї для транспортних засобів не повинна обмежуватися лише хімічним складом елементів. Прошивка BMS, якість апаратного забезпечення, точність датчиків та відповідність електричному протоколу транспортного засобу безпосередньо впливають на реальну продуктивність, вартість гарантійного обслуговування та задоволеність клієнтів.

_______________________________________________________________________

Чим це відрізняється від літій-іонного елемента

Принцип роботи натрій-іонного елемента подібний до принципу роботи літій-іонного елемента: іони переміщуються між двома електродами, електрони проходять через зовнішнє коло, а реакції є оборотними під час циклювання. Відмінності полягають переважно в матеріалах та їх практичних наслідках.

Основні відмінності включають:

•Розмір йонів. Йони натрію більші за йони літію. Це впливає на те, наскільки легко вони входять і виходять із структури електродів, і є однією з причин, чому елементи на основі натрію зазвичай мають нижчу енергетичну щільність порівняно з поширеними літій-іонними хімічними системами.

• Токопровідні підкладки. Для елементів на основі натрію можна використовувати алюміній з обох сторін, тоді як для літій-іонних елементів на аноді потрібна мідь. Алюміній дешевший і легший за мідь, що спрощує конструкцію елемента.

• Ресурси та їхня доступність. Натрій набагато поширеніший і географічно рівномірніше розподілений, ніж літій. Це впливає на довгострокові тенденції вартості та безпеку постачання, особливо для застосувань у великих обсягах.

•Енергетична щільність. Сучасні комерційні елементи на основі натрію, як правило, мають нижчу масову й об’ємну енергетичну щільність порівняно з поширеними літій-іонними хімічними системами, хоча різниця залежить від конкретної хімії та покоління.

Для команд закупівель практичне питання полягає не в тому, «яка хімія теоретично краща», а в тому, «яка хімія відповідає вимогам конкретного транспортного засобу, кліматичних умов і циклу експлуатації за відповідною ціною». Той факт, що натрій та літій працюють подібним чином, робить їх частково порівнянними, але не взаємозамінними. Щоб детальніше дізнатися, як працює літій-іонна комірка, перегляньте розділ «Як працює літійова батарея» в кластері літійових батарей.

_______________________________________________________________________

Що це означає для автомобільних систем старт-стоп

Щоб натрій-іонна батарея добре працювала в транспортному засобі з функцією старт-стоп, одночасно мають виконуватися кілька умов:

• Заряджання та прийняття заряду. Хімічний склад комірки має забезпечувати високу швидкість прийняття заряду, щоб генератор міг швидко поповнювати заряд батареї між запусками двигуна та після значних навантажень від споживачів.

• Струм холодного запуску (CCA) . Рейтинг CCA має бути достатнім для об’єму двигуна та кліматичних умов, у яких експлуатуватиметься транспортний засіб. Натрій-іонна комірка, яка забезпечує потужний запуск при 25 °C °C, може не забезпечити такий самий запуск при −20 °°C.

• Тривалість циклу при частковому заряді. Акумулятор має відповідати високій кількості перезапусків двигуна, які очікуються у міському русі — акумулятор типу Start-Stop у міському трафіку може зазнавати кількох сотень перезапусків двигуна на тиждень.

• Інтеграція BMS . Система управління акумулятором (BMS) має коректно взаємодіяти з транспортним засобом і захищати акумуляторну батарею протягом тисяч часткових циклів. Без правильної інтеграції BMS навіть потужна елементна комірка може пошкодитися через неправильне заряджання або надмірну глибину розряду.

Натрій-іонний акумулятор не підходить автоматично для будь-якого автомобіля з системою Start-Stop лише через існування цієї хімії. Мають значення специфікація транспортного засобу, кліматичні умови, профіль заряджання та власні роботи виробника щодо валідації. Команди закупівель завжди повинні перевіряти технічний паспорт продукту й вимагати від постачальника документальних підтверджень сумісності акумулятора з конкретними системами транспортного засобу, для якого він призначений, замість спиратися на загальні твердження щодо хімічного складу. Для ширшого огляду застосування літій-іонних акумуляторів у транспортних засобах та інших галузях див. керівництво «Літій-іонні акумулятори».

_______________________________________________________________________

Часті запитання

Чи є натрій-іонний акумулятор таким самим, як літій-іонний? увімкнено акумулятора?

Ні. Загальний принцип роботи —зворотне переміщення іонів між двома електродами —є однаковим. Матеріали відрізняються. Натрій-іонні елементи використовують катоди на основі натрію, аноди з твердого вуглецю та електроліти з солей натрію, тоді як літій-іонні елементи використовують катоди на основі літію та графітові аноди.

Чи підходять натрій-іонні акумулятори потрібен B АКБ?

Так. Автомобільні натрій-іонні акумулятори потребують системи управління акумуляторами для контролю напруги елементів, балансування елементів, керування заряджанням і розряджанням та захисту блоку від небезпечних умов.

Чи можна натрій-іонний акумулятор заряджати за допомогою звичайний свинець -кислотного зарядного пристрою?

Зазвичай — ні. Натрій-іонні елементи мають інші вікна напруги та профілі заряджання, ніж свинцево-кислотні акумулятори. Використання несумісного зарядного пристрою може пошкодити блок. Завжди дотримуйтесь інструкцій виробника щодо заряджання акумулятора та використовуйте зарядний пристрій, схвалений для конкретного натрій-іонного продукту.