通过结合物理和成本建模的方法，优化钠离子HAWKER蓄电池组的能源、功率和成本
钠离子电池被誉为锂离子电池的下一代替代品，因为钠的元素丰度 解决了锂离子供应链中的供应风险。关于锂离子电池在能量、功率和成本设计上的大量研究已进行，但钠离子电池的类似研究尚未完成。在这项工作中，我们通过 结合物理模型和成本模型的新颖方法，展示了硬碳-氟磷酸钠氟磷酸钠电池的能源、功耗和成本优化。通过多物理模型最大化能量和功率密度，而阿贡国家实验室的BatPac模型则最小化材料成本。这两种模型的应用方法都是通过求解电极厚度和孔隙度来优化它们的目标函数。优化后的钠离子电池与商业成熟的锂离子锂、磷酸铁和镍锰氧化钴化学成分进行了基准测试。基于物理模型的优化显示，能量电池的电极较厚且孔隙度低，而功率电池则有较薄且高孔隙率的电极。成本优化的钠离子电池设计参数与能源电池相似，以最小化每千瓦时材料成本。因此，结果显示了电池在为能源和成本与功率设计之间存在权衡。能量和成本优化的钠离子电池能量密度较低，成本也高于锂离子电池，尽管这些特性仍有可能得到提升。随着材料科学的进步，钠离子电池的能量密度可能会得到提升，而通过规模经济的提升，钠离子电池的成本可以被降低。
简介
由于太阳能光伏和风力涡轮机成本下降[1]以及政府激励措施推动可再生能源和电动汽车的采用[[2]，[3]，[4]]，电力和交通部门的脱碳正在全球迅速推进。同样重要的是能源储存技术的发展，如电池和燃料电池，因为它们稳定了可再生能源的间歇性电力输出，同时为电动汽车提供动力[[5]， [6]， [7]]。锂离子（Li-ion）电池因近年来成本普遍下降且能量和功率密度高[8]，在此类应用中被广泛应用，但锂离子制造原材料的供应已成为一个问题。锂的生产过程需要数年蒸发富含锂的盐水，因此锂供应无法应对需求激增，正如锂价格上涨所示[9,10]。这也影响了锂离子电池价格，正如锂离子电池组价格从2021年的141美元/kWh涨至2022年的151美元/kWh所示——打破了锂离子电池成本持续十年的下降趋势[11]。至于钴，它仅作为镍和铜矿开采的副产品生产，因此其需求预计将超过供应[12,13]。此外，锂和钴的开采还带来了负面社会影响，如祖传土地的驱逐和人权侵犯[14]。因此，必须寻找性能与锂离子电池相当甚至更优的可持续电池化学结构。
钠离子电池被视为锂离子电池的替代品，因为钠含量相对丰富且含有多种与钠离子化学相容的无钴电极材料[15]。这两种化学原理具有相同的底层物理化学原理：都是“摇椅电池”，在放电过程中从阳极移除离子，然后插入阴极中[16]。因此，锂离子和钠离子电池可以采用相同的结构（即电极、分离器和集电器的物理排列），从而实现相同的制造工艺。例如，像Faradion这样的初创公司展示了利用AGM电池的锂离子生产设施和设备制造天然气电池[[17]， [18]， [19]]。钠离子化学与商业成熟的锂离子化学极为相似，是相较其他替代化学方法的显著优势，因为锂离子电池的技术知识和行业经验可以大量转化为钠离子电池的设计和制造。
锂离子电池的安全与性能设计借助多物理或基于物理的建模——这是一种基于基本物理和化学原理模拟系统（如电池）工作过程的技术[20]。基于物理的模型通过允许在计算机中迭代改进和优化，强有力补充实验方法，从而避免纯实验方法可能产生的时间和材料成本。展示多物理建模在锂离子电池设计潜力的著名工作，见补充材料中的表S1。这些研究利用Dolye、Newman和Fuller开发的伪二维（P2D）模型模拟锂离子电池;它耦合了由于电极间离子运动引起的一维质量和电荷传输，以及夹层离子进入粒子的一维质量输运[21]。数学优化可用于P2D模型，确定制造过程中可控制的材料需求和设计参数（如电极厚度、孔隙率和颗粒大小），以最大化电池性能（如提升能量和功率密度，减少热量产生）。
另一方面，锂离子电池的制造可以通过自下而上的成本模型进行分析，该模型根据材料、能量和组装已知材料要求的电池或电池组所需的工艺（例如电极质量）估算生产锂离子电池的每单位成本（例如，每千瓦时、电池组或电池组的美元）。 集电器的尺寸）。成本模型对于比较新兴电池化学、不同电池材料、替代工艺及未来情景的经济性非常有用[22]。成本建模和分析研究的摘要见补充材料表S2。其中许多使用了BatPac模型，这是一种由阿贡国家实验室开发的基于电子表格的成本估算工具。默认模型根据电池电极的技术规格（如电阻、开路电压）、电池和电池组组装所用材料的量（如电极的厚度和孔隙度）以及制造成本（如直接人工、材料、设备）来估算锂离子电池组的价格;尽管计算的可定制性和透明度允许纳入其他成本和电池化学成分。
鉴于其与锂离子电池的相似性，基于物理和成本建模的研究针对钠离子电池也就不足为奇了。例如，Schneider等人（2019）利用P2D模型估算了在能量和功率优化的硬碳（NaNi）中所需的材料1/3明尼苏达1/3科1/3O2（HC-NMC）然后根据材料要求确定制造这些电池对环境的影响[23]。他们的工作展示了P2D模型的实际应用，尽管他们研究中的许多物理化学性质是以锂离子电池为基础假设的。Chayambuka等人（2022）首次报告了基于HC-Na的实验验证P2D钠离子电池模型[24,25]。3V2（PO4)2F3（NVPF）化学最初由Faradion创始人[17]开发，目前由Tiamat[26]使用。
关于成本建模，几位作者对BatPac模型进行了钠离子化学的修改。Roberts和Kendrick（2018）利用BatPac模型比较了锂离子电池和钠离子电池，发现钠离子电池成本较低，但能量密度较低[27]。Vaalma等（2018）分析了钠离子电池的成本，同时考虑了电极材料随时间可能的性能提升[28]。但需要注意的是，这些研究基于对钠离子电池材料使用的假设。Roberts 和 Kendrick（2018）的计算基于假设的钠离子电池，其电极厚度和孔隙率与参考锂离子电池相同，而 Vaalma 等（2018）则使用钠离子电池，其电极材料相当于摩尔，作为锂离子电池作为参考。近年来，只有Peters等人（2019）基于实用电池设计（即Faradion[29]）进行成本估算，因为新兴化学体系如钠离子电池的数据难以获取。
尽管如此，当前文献中仍存在知识空白。基于物理的钠离子化学模型尚未被像锂离子化学那样广泛应用于电池设计，例如能量和功率密度的优化。另一方面，钠离子电池的成本分析基于假设的材料需求，通常通过用等量的钠离子电池电极替换锂离子电池电极的质量来得出。假设的材料使用不一定代表为实际应用制造的电池。最重要的是，锂离子电池和钠离子电池的结合物理与成本建模方法尚未研究能量、功率和成本之间的权衡。现有优化锂离子电池能量或功率密度的研究往往未考虑最终电池设计的经济影响。同样，仅靠成本优化方法对电池的技术性能也有限。
