I. Prezentare generală a bateriilor sodiu-ion
Bateriile sodiu-ion sunt un tip de baterie care completează încărcarea și descărcarea bazându-se pe mișcarea ionilor de sodiu între electrozii pozitiv și negativ, cu un principiu de funcționare similar cu cel al bateriilor litiu-ion. O baterie sodiu-ion este compusă în principal dintr-un electrod pozitiv, un electrod negativ,un electrolit, oseparatorși un colector de curent. În timpul încărcării, Na⁺ este extras din electrodul pozitiv, trece prin separator și se încorporează în electrodul negativ pentru a se combina cu electronii. În timpul descărcării, Na⁺ este extras din electrodul negativ, trece prin separator și se încorporează în electrodul pozitiv, în timp ce electronii sunt transferați de la electrodul negativ la electrodul pozitiv printr-un circuit extern. În final, are loc o reacție redox în electrodul pozitiv pentru a restabili starea bogată în sodiu.
Schema de încărcare și descărcare a bateriilor cu ioni de sodiu
II. Trei rute tehnice
Comparativ cu bateriile litiu-ion, cea mai semnificativă schimbare la bateriile sodiu-ion constă în materialele catodice, a căror performanță este, de asemenea, un factor cheie care determină densitatea energetică, siguranța și durata de viață a bateriei. Ionii de sodiu au o masă și o rază mai mari decât ionii de litiu, ceea ce duce la rate de difuzie ionică mai mici. Acest lucru se reflectă într-o capacitate teoretică și o cinetică de reacție ușor inferioare în performanța bateriei, ceea ce necesită progrese în domeniul materialelor catodice pentru a aborda aceste probleme. În prezent, ruta tehnică pentru materialele catodice nu a fost încă determinată, dar oxizii stratificați..., Albastru prusac analogiși compușii polianionici sunttrei rute promițătoare care se așteaptă să iasă în evidență.
EuII.Oxizi stratificați
Formula generală pentru oxizii stratificați este NaxMO2, unde M se referă la elemente metalice de tranziție, cum ar fi vanadiul (V), cromul (Cr), manganul (Mn), fierul (Fe), cobaltul (Co), nichelul (Ni), cuprul (Cu) etc. Printre acestea, manganul (Mn) și fierul (Fe), care sunt din abundență în resurse, sunt cele mai comune. Oxizii metalici de tranziție pot fi clasificați în continuare în două tipuri: stratificați și tunel. Când conținutul de sodiu este scăzut (x<0,5), structura tunel este predominantă. Când conținutul de sodiu este relativ ridicat, acesta este în general dominat de o structură stratificată, cu Na+ situat între straturi, formând o structură stratificată în care straturile de MO2 și straturile de sodiu sunt aranjate alternativ.
Analogi IV de albastru de Prusia
Formula generală pentru analogii de albastru prusac este NaxMA[MB(CN)6]·zH2O. MA și MB reprezintă elemente metalice de tranziție, în principal fier (Fe), cobalt (Co), nichel (Ni), mangan (Mn) etc. Datorită structurii deschise unice și a structurii macroporoase tridimensionale a compușilor de albastru prusac, aceștia sunt potriviți pentru migrarea și stocarea ionilor de sodiu. În ceea ce privește avantajele, compușii pe bază de fier...Albastru prusac Și albastrul de Prusia pe bază de mangan prezintă avantajele materiilor prime abundente, costului redus, capacității specifice ridicate, performanței de viteză ridicată și stabilității electrochimice excelente. În ceea ce privește dezavantajele, deoarece metodele actuale de producție adoptă în mare parte metoda de co-precipitare, se produc adesea multe defecte structurale ale apei cristaline și Fe(CN)6. Apa cristalină este predispusă să ocupe locurile de stocare a sodiului și canalele de deintercalare a ionilor de sodiu din cristal, rezultând o scădere a conținutului de ioni de sodiu din material și o reducere a ratei de migrare a ionilor de sodiu. Defectele structurale și apa cristalină a Fe(CN)6 pot provoca colapsul structural în timpul procesului de încărcare și descărcare a materialului, afectând performanța ciclică a materialului.
Procesele de producție a compușilor albastru de Prusia includ în principal co-precipitarea și sinteza hidrotermală. Printre acestea, co-precipitarea este cea mai comună metodă, care are avantajele unui proces de preparare simplu, lipsa necesității tratamentului la temperatură înaltă și obținerea ușoară a produselor în fază pură. Cu toate acestea, în prezent, metoda de co-precipitare are încă două probleme. Una este timpul lung de preparare; a doua este randamentul redus. Metoda de sinteză hidrotermală are multe asemănări cu metoda de co-precipitare. Are avantajele unui timp de reacție scurt și a unei distribuții uniforme a particulelor de material. Cu toate acestea, în prezent, metoda de sinteză hidrotermală are trei dezavantaje. În primul rând, procesul de reacție are loc într-un sistem închis, iar procesul de reacție nu poate fi observat direct. În al doilea rând, există etape la temperatură înaltă și presiune înaltă, care au cerințe ridicate pentru echipamentele de producție. În al treilea rând, procesul este greoi și nu este potrivit pentru producția industrială.
V. Compuși polianionici
Formula generală a compușilor polianionici este NaxMy[(XOm)n-]z, unde M este un ion metalic cu valență variabilă, iar X reprezintă elemente precum P, S și V. Aceștia au avantajele unei bune stabilități, performanțe ciclice și siguranțe, dar există probleme legate de capacitatea specifică scăzută și conductivitatea slabă. În funcție de structurile lor diferite, aceștia pot fi clasificați în fosfați cu structură de olivină, compuși NASCICON (conductor rapid de ioni Na+) și compuși fosfatici.
Metoda de preparare a NaFePO4 cu structură de olivină ca material catodic pentru bateriile sodiu-ion este similară cu cea a fosfatului de litiu-fier. Capacitatea sa teoretică este de 154mAh/g, iar tensiunea de lucru este de 2,9V. Cu toate acestea, conductivitatea sa electrică este relativ scăzută și are doar canale de difuzie Na+ unidimensionale, ceea ce îi afectează performanța reală. În prezent, conductivitatea electrică este îmbunătățită prin acoperire cu carbon sau substituție ionică. Compușii cu structură Nascicon sunt conductori ionici rapizi cu o capacitate specifică teoretică de aproximativ 120mAh/g și o tensiune de funcționare de aproximativ 3,3V. Aceștia prezintă o structură tridimensională, o rată mare de difuzie a ionilor și o bună stabilitate cinetică și ciclică. Cu toate acestea, atunci când este introdus V pentavalent, acesta este adesea toxic și reprezintă o mare amenințare pentru sănătatea umană, ceea ce limitează într-o oarecare măsură utilizarea sa pe scară largă.
Structuri cristaline ale diferitelor materiale catodice polianionice
