Procés de producció de bateries d’ions de sodi: des de matèries primeres fins a cèl·lules acabades
Les bateries d’ions de sodi (bateries d’ions Na) han cridat l’atenció important com a alternativa prometedora a les bateries d’ions de liti a causa de l’abundància i el baix cost dels recursos de sodi. El procés de producció de bateries d’ions de sodi comparteix moltes similituds amb les bateries d’ions de liti, però també hi ha algunes diferències clau a causa de les propietats úniques dels materials basats en sodi. Aquest article descriu els passos clau en el procés de fabricació de bateries d'ions de sodi.
1. Preparació de matèries primeres
Materials càtodes
Els materials de càtodes comuns per a les bateries d’ions de sodi inclouen òxids en capes (NaxTMO2, on Tm=metall de transició), compostos polianionics (com Na3v2 (PO4) 3) i analògics prussians blaus. Aquests materials es sintetitzen mitjançant la reacció en estat sòlid, els processos de sol-gel o els mètodes de co-precipitació.
Materials d'ànodes
El carboni dur derivat de biomassa o pas és el material d'ànode més utilitzat per a les bateries d'ions de sodi. Els precursors de carboni dur es carbonitzen a temperatures altes (normalment 1000-1300 grau) per crear una estructura de carboni desordenada adequada per a l'emmagatzematge d'ions de sodi.
Electròlit
L’electròlit normalment consisteix en sals de sodi (com NAClo4, NAPF6 o NATFSI) dissoltes en dissolvents basats en carbonat (EC, DMC, PC). També estan en desenvolupament electròlits d’estat sòlid, inclosos els materials basats en nasicon i sulfur.
Separador
Els separadors de polietilè (PE) i polipropilè (PP), que s’utilitzen habitualment en les bateries d’ions de liti, també es poden aplicar a les bateries d’ions de sodi, tot i que s’avalua detingudament la compatibilitat amb electròlits d’ions Na.
2. Procés de recobriment d’elèctrodes
Preparació de purins
Els materials actius (càtode i anode), additius conductors (negre de carboni) i enquadernadors (com PVDF, CMC o SBR) es barregen amb dissolvents (NMP per a càtodes, aigua per a l’ànode) per crear un purí uniforme.
Capa
La purina es recobreix uniformement sobre paper d'alumini (càtode) i paper de coure (ànode). Per a algunes bateries d’ions de sodi, tots dos elèctrodes poden utilitzar paper d’alumini, segons la finestra de tensió i les propietats del material.
Sec
Els elèctrodes recoberts s’assequen en forns per eliminar els dissolvents residuals. La temperatura i la durada d’assecat es controlen amb cura per evitar la degradació del material.
3. Calendari d’elèctrodes
Després d’assecar -se, els elèctrodes passen per un parell de rodets de precisió per aconseguir un gruix uniforme, millorar la densitat i assegurar un bon contacte entre els materials actius i els col·leccionistes actuals.
4. Tall i apilament d’elèctrodes
Els elèctrodes es tallen en les formes desitjades (normalment rectangulars per a cèl·lules de bossa o cilíndrica per a cèl·lules cilíndriques). L’elèctrode positiu, el separador i l’elèctrode negatiu s’apilen o s’enfilen al format de cel·la final.
5. Assemblea de cèl·lules
Cèl·lules de la bossa
Les capes del separador d’elèctrodes apilats s’inclouen en una bossa d’alumini-plàstica. L’electròlit s’injecta a la bossa i la bossa està segellada per calor per evitar fuites.
Cèl·lules cilíndriques i prismàtiques
El conjunt d’elèctrodes de la ferida s’insereix en una llauna de metall. S’afegeix l’electròlit, seguit del segellat amb una tapa.
6. Procés de formació
Les cèl·lules muntades experimenten un procés de càrrega inicial, conegut com a formació. Aquest pas permet que la capa sòlida de la interfície d’electròlits (SEI) es formi a la superfície de l’ànode, fonamental per a l’estabilitat de la bateria. Els protocols de formació de bateries d’ions de sodi poden diferir lleugerament de les cèl·lules d’ions de liti a causa de diferents químics SEI.
7. Envelliment i proves
Després de la formació, les cèl·lules es deixen envellir durant diversos dies per estabilitzar la seva química interna. Cada cèl·lula experimenta proves de control de qualitat, incloses les comprovacions de capacitat, les mesures de resistència interna, la detecció de fuites i les proves de seguretat.
8. Mòdul i muntatge de paquets
Les cèl·lules provades es reuneixen en mòduls i paquets de bateries. Els sistemes de gestió de bateries (BMS) estan integrats per controlar la tensió, la temperatura i el corrent per assegurar un funcionament segur.
Diferències clau respecte a la producció de bateries d’ions de liti
| Processar pas | Bateria d’ions de liti | Bateria d'ions de sodi |
| Material del càtode | LiCoo2, NMC, LFP | Òxids en capes, blau prussià, polianions |
| Material d'ànode | Grafit | Carboni dur |
| Electròlit | LIPF6 en dissolvents de carbonat | NAPF6, NATFSI en dissolvents de carbonat |
| Col·leccionistes actuals | Coure (ànode), alumini (càtode) | Alumini per a tots dos (en alguns casos) |
| Protocol de formació | Estàndard per a Li-ion | A mida per a la formació SEI de sodi |
Conclusió
El procés de producció de bateries d’ions de sodi s’aprofita bona part de la infraestructura de bateries d’ions de liti existent, cosa que fa que sigui relativament fàcil adoptar els fabricants. Tot i això, els materials d’ions de sodi presenten diferents propietats electroquímiques i físiques, que requereixen alguns ajustaments en la formulació de purins, la selecció d’electròlits i els protocols de formació. A mesura que la tecnologia d’ions de sodi continua madurant, el seu avantatge de costos i l’abundància de matèries primeres podrien convertir-la en un competidor fort en aplicacions d’emmagatzematge d’energia a gran escala.
