Изучение экономического потенциала натриево-ионных аккумуляторов, и сравнение его в литий-ионным аккумулятором.

Аннотация. Натрий-ионные аккумуляторы (НИА) - это недавняя разработка, которая неоднократно рекламировалась как экономически перспективная альтернатива литий-ионным батареям (ЛИА). Тем не менее, только одно подробное исследование о материальных затратах было опубликовано для этого типа батареи. В этой статье представлена ​​первая подробная экономическая оценка ячеек НИА типа 18 650 с многослойным оксидным катодом и твердым углеродным анодом на основе существующих спецификаций для коммерческих батарей. Результаты сравниваются с результатами конкурирующих клеток литий-ионного аккумулятора ЛИА, то есть с катодами литий-никель-марганец-кобальт-оксид (NMC) и с катодами литий-железо-фосфат (LiFeP). Анализ чувствительности дополнительно оценивает влияние различных цен на сырье на результаты.

Abstract. Sodium-ion batteries (SIB) is a recent development that has been touted more than once as an economically promising alternative to lithium-ion batteries (LIB). However, only one detailed material cost study has been published for this type of battery. This article presents the first detailed economic assessment of 18,650 NIA cells with a multilayer oxide cathode and a solid carbon anode based on existing specifications for commercial batteries. The results are compared with the results of competing cells of the lithium-ion battery LIA, that is, with the cathodes of lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (NMC) and with the cathodes of lithium iron phosphate (LiFeP). A sensitivity analysis additionally evaluates the effect of different raw material prices on the results.

Ключевые слова: натрий-ионный аккумулятор (ЛИА); литий-ионный аккумулятор (НИА); оценка стоимости; производство аккумуляторов; литий-железо-фосфатные катоды (LiFeP); Модель производительности и стоимости аккумулятора (BatPaC).

Keywords: sodium-ion battery; lithium ion battery; cost estimate; battery production; lithium iron phosphate cathodes (LiFeP); Battery Performance and Cost Model (BatPaC).

Введение. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы (ЛИБ) являются одними из наиболее актуальных технологий накопления электрохимической энергии [1]. Они являются относительно зрелой технологией, демонстрируют высокую гравиметрическую и объемную плотности энергии, высокую эффективность заряда-разряда и хорошие показатели мощности. Эти свойства делают их предпочтительной технологией не только для мобильных приложений, но и в большей степени для стационарного накопления энергии [2–4]. Тем не менее, все еще высокая стоимость литий-ионных аккумуляторов является одним из их основных недостатков [5,6]. Кроме того, растущий спрос вызывает обеспокоенность по поводу среднесрочной доступности некоторых видов сырья, таких как кобальт или литий, где пики цен или дефицит предложения могут производители [7,8]. По этим причинам исследуются альтернативные недорогие системы, в том числе химические системы «вне лития», такие как натрий-ионные батареи (НИА) [9,10]. НИА - это недавняя разработка, которая уже находится на экспериментальной стадии и рекламируется как экономически перспективная альтернатива ЛИА [11–13]. Подобно ЛИА, НИА полагаются на интеркаляцию ионов натрия в материале анода (состояние зарядки) или материалах катода (разряд). Перспективными катодными материалами являются (подобно ЛИА) многочисленные типы слоистых оксидов или полианионных соединений, в то время как для анода обычно применяется аморфный углеродный материал (в основном, твердые угли). Графит, материал анода, предпочтительный для современных ЛИА, не подходит для НИА, так как более крупные ионы натрия не легко внедряются в графитовую структуру. Из-за очень похожих свойств НИА считаются технологией внедрения, которая может быть создана с использованием существующей инфраструктуры для ЛИА. Помимо активного материала анода, другим существенным отличием НИА по сравнению с существующими LIB является возможность использования алюминия для анодных токосъемников, поскольку натрий (в отличие от лития) не сплавляется с алюминием на аноде. Схематическое изображение принципа работы НИА показано на рисунке 1, а в таблице 1 сравниваются ключевые компоненты ЛИА и НИА. Из-за более высокого удельного веса натрия по сравнению с литием и более высокой необратимой емкости твердых углеродных анодов теоретически достижимые максимальные плотности энергии НИА ниже, чем у ЛИА. Тем не менее, они считаются интересными, особенно для стационарных приложений, где плотность энергии менее важна [14]. Экономические преимущества ожидаются для НИА прежде всего из-за замены лития более распространенным (и, следовательно, более дешевым) натрием и возможностью использования алюминия вместо меди в качестве анодного токосъемника. Недавняя оценка жизненного цикла показала, что НИА являются многообещающими с экологической точки зрения, и выдвинула на первый план некоторые все еще значительные потенциалы улучшения [15]. Хотя аспекты затрат неоднократно используются в качестве аргумента для НИА, только одна предварительная экономическая оценка ячеек НИА была опубликована [8]. Однако в нем основное внимание уделяется материальным затратам и не учитываются различия в расположении ячеек между НИА и ЛИА (обусловленные, например, более высокой необратимой емкостью твердого углерода, требующей увеличения толщины анодного покрытия). Поэтому в настоящей статье изучается потенциальная стоимость полной ячейки 18 650 НИА по сравнению с двумя существующими типами ЛИА, а именно на основе лития, никеля, марганца, кобальта (NMC) и лития, железа и фосфата (LiFeP). , Впервые проводится сравнение затрат для круглых ячеек типа 18 650 по восходящему принципу, основанное на технических характеристиках коммерческого аккумулятора.

Рисунок 1. Принцип работы натриево-ионной ячейки

Основные компоненты литий-ионных и натрий-ионных батарей (ЛИА и НИА) показаны в таблице 1. Где имеются сокращения такие как - EC = этиленкарбонат, DMC = диметилкарбонат, PE = полиэтилен.

Таблица 1.

Основные компоненты литий-ионных и натрий-ионных батарей

Методология

Расчет стоимости батареи был основан на модели расчета стоимости BatPaC, представленной Аргоннскими национальными лабораториями [17]. Эта модель была модифицирована и адаптирована для оценки стоимости производства отдельных круглых ячеек 18650 (первоначально в BatPaC учитывались только призматические ячейки, установленные в автомобильные аккумуляторные батареи). Отдельные компоненты батареи и размеры элементов батареи, необходимые в качестве входных данных для оценки стоимости, были смоделированы на основе технических таблиц и научной литературы и подробно описаны в следующих разделах. Все цены, если не указано иное, указаны в 2017 году. Предполагалось, что производство батарей будет находиться в Германии. Поэтому цены других лет и валют были конвертированы в евро в соответствии со среднегодовым курсом обмена валют соответствующего года, а затем скорректированы на базовый 2017 год в соответствии с Индексом цен производителей промышленных товаров [18,19]. Альтернативное местоположение с низкой стоимостью рабочей силы оценивается в анализе чувствительности.

Оценка НИА основывалась на слоистом оксидном катоде (NMMT: оксид титаната магния, никеля и марганца, натрия; Na1,1Ni0,3Mn0,5Mg0,05Ti0,05O2 [20] в сочетании с твердым углеродным анодом и электролитом из гексафторфосфата натрия (NaPF6) соль в органическом растворителе [13,15]. Расположение элемента батареи было взято из технических паспортов производителя батареи, который производит опытные ячейки НИА на экспериментальной стадии [13]. Другие компоненты батареи, такие как фольга коллектора, связыватели электродов, сепаратор и корпус, были идентичны между НИА и ЛИА. Батареи были собраны в круглые элементы типа 18650, и окончательная цена аккумуляторных элементов была рассчитана на уровне элементов, что дает оценка цены не зависит от последующего применения.

Стоимость катодного активного материала

Поскольку исследуемый материал катода НММТ не был доступен на рынке, его цена должна была быть оценена на основе стоимости сырья плюс производственные затраты. Это было сделано в соответствии с уравнением (1) [17]. Для целей валидации стоимость литий-ионного катодного материала (NMC) также была рассчитана таким же образом. Это позволило сравнить полученные результаты с рыночными ценами для установленного активного материала и, таким образом, для проверки модели оценки стоимости.

                                                                                                 (1)

где:

C = конечная стоимость (/ кг),

Co = базовая стоимость (),

Ci = цена сырья (/ кг),

xi = молярная стехиометрия (-),

MWi = Молекулярная масса сырья (г / моль)

ММ = Молекулярная масса конечного продукта (г / моль).

Базовая стоимость - это стоимость, связанная с установкой и эксплуатацией производственной линии / завода, и, следовательно, зависит от свойств материала, но не от стоимости материалов-прекурсоров. Базовая стоимость 9,15 / кг для соосажденных оксидов металлов, таких как NMC, приведена в литературе [17]. Это же значение также используется в качестве базовой стоимости для производства NMMT, при условии, что процессы синтеза обоих слоистых оксидов очень похожи. Согласно уравнению (1) и с использованием цен на сырье, указанных в дополнительной информации (SI), для активного материала NMC (более конкретно, NMC333, то есть содержащего стехиометрически эквивалентные доли никеля и марганца) получается цена 23,42 / кг. и кобальт; далее именуемый NMC) и 12,46 / кг для NMMT. Цена NMC, полученная таким способом, находится в пределах значений, опубликованных в литературе (19–28 / кг) [17,21]. Поскольку информация о базовой стоимости фосфатных соединений, таких как LiFeP, не является общедоступной, уравнение (1) не применимо непосредственно к этому материалу. При расчете с теми же базовыми затратами, что и для слоистых оксидов, тем не менее можно получить цену LiFeP в 13,9, что значительно ниже значений, которые можно найти в литературе [17,21,22]. По этой причине цена активного материала LiFeP не рассчитывается явно с помощью уравнения (1), но взято среднее значение из литературы (16,4 / кг) [17,21].

Стоимость других материалов

Помимо электродов и электролита, элемент ЛИА содержит другие компоненты, такие как сепараторы, фольга коллектора, связующие вещества и контейнер элемента. Они обычно не зависят от химического состава ЛИА, и поэтому предполагается, что они не отличаются значительно между литий- и натрий-ионной батареей. Фактически, одним из преимуществ НИА является то, что они считаются технологией «вставки», позволяющей использовать те же производственные линии для производства ячеек и имеющей большую долю идентичных частей [10,15]. Для модели батареи предполагалось, что сепараторы были равномерно изготовлены из полиэтиленовой фольги. Обычной проводящей добавкой для электродов является технический углерод. Для положительного электрода связующее на основе поливинилиденфторида (PVdF; наиболее часто используемое органическое связующее для ЛИА) используется в сочетании с N-метил-2-пирролидоном (NMP) в качестве органического растворителя, тогда как в аноде используется карбоксиметилцеллюлоза в качестве органического связующего на водной основе [15]. Другие типы связующих также часто используются, но для сравнения стоимости, которая фокусируется на различных активных материалах, предполагалось, что они сравниваются между сравниваемыми типами батарей. Цена на оба вида связующего была взята из литературы [17]. По сравнению с исследуемыми литий-ионными элементами (типа NMC и LiFeP), в которых в качестве фольги положительного коллектора используется алюминий, а в качестве пленки отрицательного коллектора - алюминий, алюминий можно использовать для обеих пленок коллектора в СИБ [14]. Трудно было найти данные по стоимости для корпусов ячеек типа 18650, и единственная публикация, в которой содержалась информация по этому вопросу, содержала нереально высокие значения 0,2 для контейнера для ячеек и еще 0,2 для терминалов для ячеек [21]. Таким образом, розничные цены от интернет-поставщиков использовались вместо этого в качестве приблизительного, со средним значением 0,1 на контейнер для ячеек, включая крышку и изоляцию [22]. Обзор предполагаемых затрат на все материалы и компоненты аккумуляторных элементов представлен в таблице 2.

Таблица 2.

Обзор предполагаемых затрат на все материалы и компоненты аккумуляторных элементов

Состав и исполнение ячеек 18650. Детальный баланс массы необходим для точного определения количества материалов, необходимых для изготовления одного элемента батареи. В этом отношении существенные отклонения существовали не только между различными научными публикациями, но и между техническими описаниями производителей. Основным источником данных для настоящей оценки послужили технические таблицы, опубликованные Faradion, производителем НИА, который предоставляет информацию о компоновке и электрохимических характеристиках коммерческих ячеек НИА в дополнение к конкурирующей сопоставимой ячейке LiFeP [13]. Ячейка NMC была измерена соответственно на основании литературных данных [22]. Данные о размерах электродов и толщине покрытия позволили детально определить требуемую массу и соответствующий объем активных материалов, фольги коллектора и сепаратора на одну круглую ячейку. Оценка пустотной доли активного материала (пористость) была сделана на основе разницы между плотностью необработанного активного материала и фактической плотностью покрытия в соответствии с таблицами данных [11]. Количество электролита, необходимое для заполнения ячейки, затем рассчитывали по разнице между внутренним объемом банки 18650 и объемом всех компонентов батареи (катода, анода и сепаратора, включая пустоту из-за пористости активного материала). В таблице 3 приведены основные параметры производительности сравниваемых элементов батареи. Считалось, что модель батареи представляет батарею, как указано в базовых спецификациях. Батареи могут быть разработаны для различных целей (высокая мощность / высокая энергия), что влияет на толщину электрода и, следовательно, на баланс материалов. Однако такая детальная модель батареи выходит за рамки настоящего исследования.

Таблица 3.

Параметры производительности на один аккумулятор 18650

Цена окончательного аккумулятора

Оценка полной стоимости элемента была основана на версии 3.0 BatPaC от Argonne National Laboratories, одного из стандартных инструментов оценки стоимости батареи, который позволяет определять размеры и стоимость модулей батареи электромобиля [17]. Тем не менее, были внесены значительные изменения для адаптации модели к расчету затрат на отдельные элементы независимо от их окончательного применения вместо настройки автомобильных аккумуляторных блоков. Части оценки стоимости производственного предприятия были изменены там, где это было необходимо, и адаптированы к изготовлению 18650 круглых ячеек, в основном на основе данных, предоставленных Ciez и Whitacre [21]. Предполагалось, что пропускная способность завода составит 200 млн. Аккумуляторных элементов в год. Поскольку разные химические составы клеток показали различную емкость хранения, это было эквивалентно 1,2 ГВтч / год для НИА и 1,7 ГВтч / год для NMC (из-за его более высокой плотности энергии). По сравнению с исходной моделью BatPaC (0,8 ГВтч / год) это была значительно более высокая производительность установки с точки зрения производственной мощности хранения (ГВтч / год). Кроме того, поскольку 18 650 круглых ячеек демонстрировали значительно меньшую емкость на одну ячейку, чем призматические ячейки, предполагаемые BatPaC, количество ячеек, производимых ежегодно, было значительно выше, что увеличивало затраты, связанные с заполнением ячейки, герметизацией и циклированием. Поскольку предполагается, что производство осуществляется в Германии, затраты на электроэнергию и рабочую силу были скорректированы соответствующим образом (0,12 / кВтч и 25 / час).

Вывод

В настоящей работе дается углубленная оценка потенциальных цен на натриево-ионные аккумуляторные батареи типа 18650 относительно сопоставимых литий-ионных. Ячейки смоделированы на основе существующих таблиц для коммерческих ячеек, что позволяет детально разбить затраты на компоненты, имеющие индивидуальные требования к компоновке с различными химическими составами ячеек. Для одного элемента батареи элементы натрий-ионного аккумулятора (НИА) демонстрируют преимущества по сравнению с элементами литий-ионного аккумулятора (ЛИА) благодаря более дешевым активным материалам катода и отсутствию меди в анодном коллекторе тока.