Processus de production de batterie sodium-ion: des matières premières aux cellules finies

Les batteries de sodium-ion (batteries Na-ion) ont attiré une attention significative en tant qu'alternative prometteuse aux batteries lithium-ion en raison de l'abondance et du faible coût des ressources de sodium. Le processus de production des batteries sodium-ion partage de nombreuses similitudes avec les batteries lithium-ion, mais il existe également des différences clés en raison des propriétés uniques des matériaux à base de sodium. Cet article décrit les étapes clés du processus de fabrication de batterie sodium-ion.

Matériaux de cathode

Les matériaux de cathode communs pour les batteries sodium-ion comprennent des oxydes en couches (NaxtMo2, où TM=métal de transition), les composés polyanioniques (tels que Na3v2 (PO4) 3) et les analogues bleus prussiens. Ces matériaux sont synthétisés par la réaction à l'état solide, les processus sol-gel ou les méthodes de co-précipitation.

Matériaux d'anode

Le carbone dur dérivé de la biomasse ou de la hauteur est le matériau d'anode le plus utilisé pour les batteries sodium-ion. Les précurseurs en carbone dur sont carbonisés à des températures élevées (généralement 1000-1300}) pour créer une structure de carbone désordonnée adaptée au stockage en ions sodium.

Électrolyte

L'électrolyte se compose généralement de sels de sodium (comme NaClo4, NAPF6 ou NATFSI) dissous dans des solvants à base de carbonate (EC, DMC, PC). Les électrolytes à semi-conducteurs, y compris les matériaux à base de nasicon et de sulfure, sont également en cours de développement.

Séparateur

Les séparateurs en polyéthylène (PE) et en polypropylène (PP), couramment utilisés dans les batteries au lithium-ion, peuvent également être appliqués aux batteries sodium-ion, bien que la compatibilité avec les électrolytes Na-ion soit soigneusement évaluée.

Préparation de lisier

Les matériaux actifs (cathode et anode), les additifs conducteurs (noir de carbone) et les liants (tels que le PVDF, le CMC ou le SBR) sont mélangés avec des solvants (NMP pour la cathode, l'eau pour l'anode) pour créer une suspension uniforme.

Revêtement

La suspension est uniformément recouverte sur du papier d'aluminium (cathode) et du papier cuivre (anode). Pour certaines batteries sodium-ion, les deux électrodes peuvent utiliser du papier d'aluminium, selon la fenêtre de tension et les propriétés du matériau.

Séchage

Les électrodes revêtues sont séchées dans des fours pour éliminer les solvants résiduels. La température et la durée de séchage sont soigneusement contrôlées pour empêcher la dégradation des matériaux.

Après séchage, les électrodes passent à travers une paire de rouleaux de précision pour atteindre une épaisseur uniforme, améliorer la densité et assurer un bon contact entre les matériaux actifs et les collectionneurs de courant.

Les électrodes sont coupées dans les formes souhaitées (généralement rectangulaires pour les cellules de poche ou cylindriques pour les cellules cylindriques). L'électrode positive, le séparateur et l'électrode négative sont empilés ou enroulés dans le format de cellule final.

Cellules de la pochette

Les couches d'électrode-séparateur empilées sont enfermées dans une poche en aluminium en plastique. L'électrolyte est injecté dans la poche et la poche est scellée à la chaleur pour éviter les fuites.

Cellules cylindriques et prismatiques

L'ensemble d'électrode de la plaie est inséré dans une boîte métallique. L'électrolyte est ajouté, suivi d'un scellement avec un capuchon.

Les cellules assemblées subissent un processus de charge initial, appelé formation. Cette étape permet à la couche d'interface d'électrolyte solide (SEI) de se former sur la surface de l'anode, qui est critique pour la stabilité de la batterie. Les protocoles de formation pour les batteries sodium-ion peuvent différer légèrement des cellules lithium-ion en raison de différentes chimies SEI.

Après la formation, les cellules sont laissées à l'âge pendant plusieurs jours pour stabiliser leur chimie interne. Chaque cellule subit des tests de contrôle de la qualité, y compris les contrôles de capacité, les mesures de résistance interne, la détection des fuites et les tests de sécurité.

Les cellules testées sont assemblées en modules et paquets de batteries. Les systèmes de gestion des batteries (BMS) sont intégrés pour surveiller la tension, la température et le courant pour assurer un fonctionnement sûr.

Le processus de production de batterie sodium-ion exploite une grande partie de l'infrastructure de batterie lithium-ion existante, ce qui facilite l'adoption des fabricants. Cependant, les matériaux sodium-ion présentent différentes propriétés électrochimiques et physiques, nécessitant certains ajustements de la formulation de la suspension, de la sélection des électrolytes et des protocoles de formation. Alors que la technologie sodium-ion continue de mûrir, son avantage des coûts et son abondance de matières premières pourraient en faire un solide concurrent dans les applications de stockage d'énergie à grande échelle.