Batería de iones de sodio CATL: introducción de innovaciones químicas y estructurales
La batería CATL de iones de sodio no sólo se utiliza para mejorar la densidad energética y organizar la cadena de suministro, sino también en tres escenarios: vehículos eléctricos de dos ruedas, vehículos eléctricos y almacenamiento de energía, así como en escenarios de baja temperatura y alta potencia. Este artículo tratará principalmente la innovación química y la innovación estructural de la batería de iones de sodio CATL.
La capacidad de producción de la batería de iones de sodio CATL y la batería de iones de litio es compatible
El sodio y el litio se encuentran junto al grupo de los metales alcalinos en la tabla periódica, con un solo electrón en la capa más externa del átomo, y sus propiedades químicas son muy similares. Las baterías con sus iones como portadores también tienen principios y estructuras similares. La mayoría de los sistemas de producción de las baterías de iones de litio pueden reutilizarse en las baterías de iones de sodio CATL, y la capacidad de producción puede ser parcialmente compatible.
La densidad energética de la batería de iones de sodio CATL simple se solapa con la de la batería de litio hierro fosfato：.
La ventaja de coste teórico de la batería de iones de sodio catl es extraordinaria. Según la conversión del coste en vatios hora de la batería soft pack con la misma capacidad, el coste teórico de la lista de materiales de la batería de iones de sodio es aproximadamente 30% inferior al de la batería de iones de litio.
La seguridad y el rendimiento de la batería de iones de sodio CATL no tienen nada que envidiar a las de hierro litio, gracias a:
● Densidad energética relativamente baja y entalpía exotérmica
● No es fácil que libere oxígeno y no hay riesgo de inflamabilidad
● Aumento instantáneo relativamente pequeño de la corriente y de la temperatura en poco tiempo
En la actualidad, la batería de iones de sodio CATL está libre de incendios y explosiones por sobrecarga, sobredescarga, cortocircuito, acupuntura y extrusión. A bajas temperaturas, gracias a:
● Mejor capacidad de difusión iónica de la interfase debido a la menor energía de solvatación de los iones de sodio.
● Canal de transmisión de gran apertura gracias al marco tridimensional abierto de azul de Prusia y otros materiales positivos especiales
● En la actualidad, la micro nano estructura y el recubrimiento de carbono mejoran enormemente la conductividad electrónica y la potencia de descarga.
La batería de iones de sodio CATL sigue la ruta derivada del PBA
A diferencia de los óxidos de Nax de tipo O3 de metales de transición dopados con Li de HiNa Battery, las baterías de iones de sodio de CATL siguen la ruta derivada de PBA. Ambas tienen la ventaja de su gran capacidad en gramos y su plataforma de voltaje, que es de alta densidad energética. La diferencia es la gran ventaja dinámica del PBA debido a su especial estructura cristalina.
La estructura de marco abierto y los enormes canales tridimensionales de los cubos centrados en las caras son muy propicios para la rápida migración de iones de sodio, y pueden mantener la estabilidad estructural de forma reversible tras un cierto destintado. Por supuesto, el contenido de sodio y el contenido de agua del cristal son diferentes debido a los distintos procesos de preparación, por lo que el cristal final se distorsionará para formar un sistema monocristalino o romboédrico.
En 2015, varios laboratorios punteros de Estados Unidos colaboraron estrechamente con J.B. Goodenough para desarrollar un material para cátodos de baterías de iones de sodio llamado blanco de Prusia: Na1.92Fe, que en realidad es un componente específico del azul de Prusia sódico. Como el contenido de sodio es de hasta 1,92, el polvo parece blanco, por lo que se llama blanco de Prusia.
En 2018, una empresa llamada Novasis Energies presentó una batería de iones de sodio blanda basada en NaxMnFe (CN, Hay muchos pares de reacciones redox reversibles en el proceso de descarga de carga. Sin embargo, este material también tiene defectos bastante fatales, que también es la razón por la que no se ha utilizado comercialmente durante mucho tiempo:
En primer lugar, demasiada agua cristalina en el cristal ocupará el sitio de iones de sodio y bloqueará el canal de migración de iones de sodio adyacentes, y también se liberará en el electrolito, y tendrá reacciones secundarias con él, causando el consumo de electrolito, la inestabilidad de la película SEI del electrodo negativo, y el aumento de la impedancia.
En segundo lugar, demasiadas vacantes en el cristal no sólo dificultarán la migración de electrones, sino que también provocarán la distorsión de la red y dañarán el enlace puente Ma C｜N Mb, lo que conducirá al colapso de la estructura esquelética tridimensional del PBA y a la degradación del rendimiento de la batería.
Se ha diseñado y mejorado la batería de iones de sodio CATL
La batería de iones de sodio CATL se ha diseñado de forma innovadora y se ha mejorado desde el punto de vista de los materiales y el proceso de los electrodos.
Nivel de material
En el proceso de síntesis de materiales blancos de prusia, el equipo de investigación del CATL utilizó la reacción de intercambio para añadir uno o más ligandos neutros L con el fin de sustituir parcial o totalmente el agua cristalina, reduciendo así o incluso eliminando el contenido de agua cristalina a nivel de polvo, y su absorción de agua puede reducirse hasta 60% tras la verificación.
El equipo de investigación de baterías de iones de sodio del CATL introdujo carboximetilcelulosa sódica en la preparación de materiales de blanco de prusia para ajustar la viscosidad y la velocidad de precipitación del licor madre, y formó partículas con un tamaño de partícula y una superficie específica adecuados, obteniendo un aumento y un rendimiento de circulación relativamente optimizados.
Al mismo tiempo, la batería de iones de sodio CATL ha realizado el diseño más adecuado para el tamaño de las partículas y la porosidad, y ha garantizado la estabilidad del ciclo.
Para mejorar el rendimiento cíclico de los materiales blancos de Prusia en el sistema electrolítico no acuoso, la batería de iones de sodio CATL introdujo un aditivo electrolítico especial: la relación carga/radio del catión es inferior a la del ión sodio, y el contenido del aditivo está optimizado.
Durante el proceso de carga y descarga de la batería de iones de sodio, el catión se incrustará y desprenderá preferentemente del material PBA porque el catión tiene una relación carga/radio pequeña.
Por lo tanto, daña menos la estructura de los materiales de azul de Prusia en el proceso de inserción y extracción, lo que puede estabilizar la estructura del esqueleto tridimensional de los materiales de azul de Prusia y hacer que la batería de iones de sodio tenga un buen rendimiento de ciclo.
Nivel de corte polar
La batería de iones de sodio CATL introduce un nanomaterial de carbono unidimensional con un diámetro de 5nm~100nm y una buena flexibilidad en una proporción adecuada, lo que reduce en gran medida la resistencia de la membrana, de modo que la placa positiva tiene una buena conductividad.
En la batería de iones de sodio CATL se optimizó la relación entre el polímero conductor y el agente conductor, se redujo la resistencia de la membrana en 70% y se obtuvo un rendimiento muy excelente de la relación 2C. Además, se mejoró el proceso de mezcla y revestimiento de la pasta catódica blanca de Prusia, se optimizó la relación entre el grosor del material activo d1 y el grosor del fluido colector d2, y se obtuvo un excelente rendimiento de ciclo de la batería de iones de sodio CATL.
Para resolver el problema de la baja densidad de compactación inherente al polvo de partículas pequeñas, la batería de iones de sodio CATL adopta un exclusivo método bimodal de mezcla y emparejamiento para aumentar la densidad de compactación del electrodo positivo blanco de Prusia hasta 2,0 g/cc, lo que mejora enormemente la densidad de energía en volumen y masa.
Nivel del sistema químico
En términos de adecuación del sistema químico, la batería de iones de sodio CATL controla la pérdida de capacidad en la primera carga y descarga de la batería, y consigue un mayor rendimiento de carga y descarga a gran aumento, de modo que la batería de iones de sodio tiene una mayor eficiencia de primer culombio y rendimiento de aumento.
El equipo de investigación de baterías de iones de sodio del CATL ha desarrollado un material de carbono duro con una estructura de poros única que puede permitir almacenar y pasar rápidamente un gran número de iones de sodio. La capacidad por gramo puede alcanzar los 350mAh/g y, al mismo tiempo, presenta una excelente reciclabilidad. El índice de rendimiento global es equivalente al del grafito.
Ventajas de la batería de iones de sodio CATL
Basándose en la integración de capacidades técnicas altamente innovadoras, CATL ha desarrollado una batería de iones de sodio con ventajas únicas:
● Densidad energética de una sola célula: 160Wh/kg, nivel de carga global actual;
● Carga a temperatura ambiente durante 15 minutos, y la potencia puede alcanzar más de 80%, con excelentes características de carga rápida;
● En un entorno de baja temperatura de - 20 ℃, mantener una tasa de retención de descarga de más de 90% y excelente potencia a baja temperatura;
● La eficiencia de integración del sistema puede alcanzar más de 80%;
● Excelente estabilidad térmica y superación de los requisitos de seguridad de la norma china sobre baterías de gran potencia.
Por lo tanto, la densidad energética de la batería de iones de sodio CATL es ligeramente inferior a la de la batería lifepo4 comercial desarrollada por fabricantes de baterías de ión litiopero sus evidentes ventajas en cuanto a rendimiento a baja temperatura y carga rápida son muy adecuadas para escenarios de aplicación de alta potencia en regiones muy frías.
La batería de iones de sodio CATL adopta la estructura de batería AB
Se adopta la estructura de batería AB, que es la innovación estructural de la batería de iones de sodio CATL. La integración de dos tipos de baterías en serie y en paralelo puede resolver rápidamente el problema de la baja densidad energética de la batería de iones de sodio de primera generación, que también supone un reto para el sistema BMS.
Aunque puede igualarse en todo el rango de voltaje de la batería, la curva electroquímica actual de blanco de Prusia+carbono duro es obviamente diferente de cualquier sistema químico de batería de iones de litio existente. Además, la histéresis de tensión inherente al electrodo positivo basado en sodio aporta una complejidad considerable a la gestión del SOC.
La combinación de las dos espadas de AB puede compensar la escasez de densidad energética de la batería de sodio Gen1. La densidad energética de su paquete de baterías aumenta en 25%, lo que da juego a sus ventajas de alta potencia y rendimiento a baja temperatura, y puede adaptarse a más escenarios.
Según el plan de ruta publicado por CATL, los productos eléctricos de sodio Gen2 romperán en 200 Wh/kg. De hecho, el principio de funcionamiento de la batería de iones de sodio es el mismo que el de la batería de iones de litio. Las propiedades de procesamiento pueden referirse totalmente a los indicadores físicos y químicos de los materiales químicos de la batería de iones de litio, y sus líneas de producción en masa pueden ser totalmente compatibles.
La neutralización del carbono ha dado lugar a la demanda de baterías de clase TWh, y están surgiendo escenarios de aplicación diversificados. La generación de baterías de iones de sodio CATL garantizará conjuntamente con las baterías de litio el desarrollo estable a largo plazo de la industria.
