Batterie à ions sodium CATL - une introduction à l'innovation chimique et structurelle
La batterie sodium-ion CATL n'est pas seulement utilisée pour améliorer la densité énergétique et mettre en place la chaîne d'approvisionnement, elle est également utilisée dans trois scénarios : véhicules électriques à deux roues, véhicules électriques et stockage d'énergie, ainsi que dans des scénarios à basse température et à haute puissance. Cet article traite principalement de l'innovation chimique et de l'innovation structurelle de la batterie sodium-ion CATL.
La capacité de production des batteries sodium-ion et lithium-ion de CATL est compatible.
Le sodium et le lithium sont situés à côté du groupe des métaux alcalins dans le tableau périodique, avec un seul électron dans la couche externe de l'atome, et leurs propriétés chimiques sont très similaires. Les batteries dont les ions sont les porteurs ont également des principes et des structures similaires. La plupart des systèmes de production des batteries lithium-ion peuvent être réutilisés sur les batteries sodium-ion CATL, et la capacité de production peut être partiellement compatible.
La densité énergétique d'une batterie à ions sodium CATL unique correspond à celle d'une batterie au phosphate de fer lithié：
L'avantage théorique en termes de coût de la batterie à ions sodium est remarquable. D'après la conversion du coût en wattheures d'une batterie souple de même capacité, le coût théorique de la nomenclature de la batterie sodium-ion est inférieur d'environ 30% à celui de la batterie lithium-ion.
La sécurité et les performances de la batterie sodium-ion CATL ne sont pas inférieures à celles de la batterie lithium-fer, grâce aux éléments suivants
● Densité énergétique relativement faible et enthalpie exothermique
● Il n'est pas facile de libérer de l'oxygène et il n'y a pas de risque d'inflammabilité.
● Courte durée Courant instantané relativement faible et augmentation de la température
À l'heure actuelle, la batterie sodium-ion CATL est exempte d'incendie et d'explosion dus à la surcharge, à la décharge, au court-circuit, à l'acupuncture et à l'extrusion. À basse température, grâce à :
● Meilleure capacité de diffusion des ions de l'interface en raison de l'énergie de solvatation plus faible des ions sodium
● Canal de transmission à grande ouverture grâce au cadre tridimensionnel ouvert en bleu de Prusse et à d'autres matériaux positifs spéciaux
● Actuellement, la micro-nano-structure et le revêtement en carbone améliorent considérablement la conductivité électronique et la puissance de décharge.
La batterie à ions sodium CATL suit la voie des dérivés du PBA
Contrairement aux oxydes de Nax dopés au métal de transition O3 de HiNa Battery, les batteries au sodium CATL suivent la voie des dérivés du PBA. Toutes deux présentent l'avantage d'une capacité élevée en grammes et d'une plate-forme de tension, ce qui correspond à une densité d'énergie élevée. La différence réside dans l'avantage dynamique élevé du PBA dû à sa structure cristalline spéciale.
La structure ouverte et les immenses canaux tridimensionnels des cubes à faces centrées sont très propices à la migration rapide des ions sodium et peuvent maintenir la stabilité structurelle de manière réversible après une certaine quantité de désencrage. Bien entendu, la teneur en sodium et la teneur en eau du cristal sont différentes en raison des différents processus de préparation, de sorte que le cristal final sera déformé pour former un cristal unique ou un système rhomboédrique.
En 2015, plusieurs laboratoires de pointe aux États-Unis ont travaillé en étroite collaboration avec J.B. Goodenough pour mettre au point un matériau de cathode de batterie à ions sodium appelé blanc de Prusse : Na1.92Fe, qui est en fait un composant spécifique du bleu de Prusse sodique. Comme la teneur en sodium atteint 1,92, la poudre apparaît blanche, d'où le nom de blanc de Prusse.
En 2018, une société nommée Novasis Energies a présenté une batterie sodium-ion à emballage souple basée sur NaxMnFe (CN, Il y a de nombreuses paires de réactions d'oxydoréduction réversibles dans le processus de charge et de décharge. Cependant, ce matériau présente également des défauts assez fatals, ce qui est aussi la raison pour laquelle il n'a pas été utilisé commercialement pendant longtemps :
Premièrement, une trop grande quantité d'eau dans le cristal occupera le site de l'ion sodium et bloquera le canal de migration des ions sodium adjacents, et sera également libre dans l'électrolyte, et aura des réactions secondaires avec lui, provoquant la consommation d'électrolyte, l'instabilité du film SEI de l'électrode négative, et l'augmentation de l'impédance.
Deuxièmement, un trop grand nombre de lacunes dans le cristal n'entravera pas seulement la migration des électrons, mais provoquera également une distorsion du réseau et endommagera la liaison Ma C｜N Mb, ce qui entraînera l'effondrement de la structure tridimensionnelle du squelette du PBA et la dégradation de la performance de la batterie.
La batterie sodium-ion CATL a été conçue et améliorée.
La batterie sodium-ion CATL a été conçue de manière innovante et améliorée au niveau des matériaux et du processus d'électrodes.
Niveau des matériaux
Dans le processus de synthèse des matériaux blancs de Prusse, l'équipe de recherche du CATL a utilisé la réaction d'échange pour ajouter un ou plusieurs ligands neutres L afin de remplacer partiellement ou complètement l'eau cristalline, réduisant ainsi, voire supprimant, la teneur en eau cristalline au niveau de la poudre, et son absorption d'eau peut être réduite jusqu'à 60% après vérification.
L'équipe de recherche sur les batteries à ions sodium du CATL a introduit de la carboxyméthylcellulose de sodium dans la préparation des matériaux de blanc de Prusse afin d'ajuster la viscosité et le taux de précipitation de la liqueur mère, et a formé des particules avec une taille et une surface spécifique appropriées, obtenant ainsi un grossissement et une performance de circulation relativement optimisés.
En même temps, la batterie sodium-ion CATL a été conçue de la manière la plus appropriée en ce qui concerne la taille des particules et la porosité, et a garanti la stabilité du cycle.
Afin d'améliorer les performances de cyclage des matériaux à base de blanc de Prusse dans le système électrolytique non aqueux, la batterie à ions sodium CATL a introduit un additif électrolytique spécial : le rapport charge/rayon du cation est inférieur à celui de l'ion sodium, et le contenu de l'additif est optimisé.
Au cours du processus de charge et de décharge de la batterie à ions sodium, le cation s'incruste et se détache préférentiellement du matériau PBA, car le cation a un faible rapport charge/rayon.
Par conséquent, il endommage moins la structure des matériaux à base de bleu de Prusse lors du processus d'insertion et de retrait, ce qui peut stabiliser la structure tridimensionnelle du squelette des matériaux à base de bleu de Prusse et permettre à la batterie à ions sodium d'avoir de bonnes performances de cycle.
Niveau de la tranche polaire
La batterie à ions sodium CATL introduit un nanomatériau de carbone unidimensionnel d'un diamètre de 5nm~100nm et d'une bonne flexibilité dans une proportion appropriée, ce qui réduit considérablement la résistance de la membrane, de sorte que la plaque positive présente une bonne conductivité.
La batterie à ions sodium CATL a optimisé le rapport entre le polymère conducteur et l'agent conducteur, a réduit la résistance de la membrane de 70% et a obtenu un excellent rapport 2C. En outre, le processus de mélange et de revêtement de la pâte cathodique au blanc de Prusse a été amélioré, le rapport entre l'épaisseur du matériau actif d1 et l'épaisseur du fluide collecteur d2 a été optimisé, et d'excellentes performances de cycle de la batterie à ions sodium CATL ont été obtenues.
Afin de résoudre le problème de la faible densité de compactage inhérente aux petites particules de poudre, la batterie sodium-ion CATL adopte une méthode unique de mélange et d'adaptation bimodale pour augmenter la densité de compactage de l'électrode positive au blanc de Prusse jusqu'à 2,0 g/cc, ce qui améliore considérablement la densité d'énergie de volume et de masse.
Niveau du système chimique
En termes d'adaptation du système chimique, la batterie à ions sodium CATL contrôle la perte de capacité lors de la première charge et décharge de la batterie, et atteint des performances de charge et de décharge plus élevées à fort grossissement, de sorte que la batterie à ions sodium a une efficacité de premier coulomb et des performances de grossissement plus élevées.
L'équipe de recherche sur les batteries sodium-ion du CATL a mis au point un matériau en carbone dur doté d'une structure poreuse unique qui permet de stocker un grand nombre d'ions sodium et de les faire passer rapidement. La capacité par gramme peut atteindre 350mAh/g, tout en présentant une excellente recyclabilité. L'indice de performance global est équivalent à celui du graphite.
Avantages de la batterie sodium-ion CATL
Grâce à l'intégration de capacités techniques très innovantes, CATL a mis au point une batterie sodium-ion présentant des avantages uniques :
● Densité énergétique d'une cellule unique : 160Wh/kg, niveau global actuel ;
● Chargez à température ambiante pendant 15 minutes, et la puissance peut atteindre plus de 80%, avec d'excellentes caractéristiques de charge rapide ;
● Dans un environnement à basse température de - 20 ℃, maintenir un taux de rétention de décharge supérieur à 90% et une excellente puissance à basse température ;
● L'efficacité de l'intégration du système peut atteindre plus de 80% ;
● Excellente stabilité thermique, dépassant les exigences de sécurité de la norme chinoise relative aux piles à forte puissance.
Par conséquent, la densité énergétique de la batterie sodium-ion CATL est légèrement inférieure à celle de la batterie commerciale lifepo4 développée par fabricants de batteries lithium-ionMais ses avantages évidents en termes de performances à basse température et de charge rapide conviennent parfaitement aux scénarios d'application à forte puissance dans les régions très froides.
La batterie sodium-ion CATL adopte la structure de la batterie AB
La structure de la batterie AB est adoptée, ce qui constitue l'innovation structurelle de la batterie sodium-ion CATL. L'intégration de deux types de batteries en série et en parallèle permet de résoudre rapidement le problème de la faible densité énergétique de la batterie sodium-ion de première génération, qui pose également des problèmes au système BMS.
Bien qu'elle puisse être adaptée à toute la plage de tension de la batterie, la courbe électrochimique actuelle blanc de Prusse + carbone dur est manifestement différente de tout système chimique de batterie lithium-ion existant. En outre, l'hystérésis de tension inhérente à l'électrode positive à base de sodium complique considérablement la gestion du SOC.
La combinaison des deux épées de l'AB peut compenser le manque de densité énergétique de la batterie au sodium Gen1. La densité énergétique de sa batterie est augmentée par 25%, ce qui permet de tirer parti de ses avantages en termes de puissance élevée et de performances à basse température, et de l'adapter à davantage de scénarios.
Selon le plan de route publié par CATL, les produits électriques au sodium Gen2 atteindront 200Wh/kg. En fait, le principe de fonctionnement de la batterie sodium-ion est le même que celui de la batterie lithium-ion. Les propriétés de traitement peuvent se référer entièrement aux indicateurs physiques et chimiques des matériaux chimiques de la batterie lithium-ion, et leurs lignes de production de masse peuvent être entièrement compatibles.
La neutralisation du carbone a donné naissance à la demande de batteries de classe TWh, et des scénarios d'application diversifiés émergent. La production de piles au sodium ionique CATL garantira conjointement le développement stable à long terme de l'industrie des piles au lithium.
