Principiile de bază și compoziția bateriilor cu ioni de sodiu

Principiile de bază și compoziția bateriilor cu ioni de sodiu

1. Prezentare generală a baterii cu ioni de sodiu

În diferite sisteme de stocare a energiei, bateriile litiu-ion sunt utilizate pe scară largă datorită avantajelor lor, cum ar fi densitatea mare de energie și putere, durată lungă de viață, prietenos cu mediul și lipsa efectului de memorie. De la comercializarea cu succes a bateriilor litiu-ion în 1991, acestea au jucat un rol de lider important și de neînlocuit în multe domenii importante, cum ar fi industria electronică de consum, vehicule cu energie noi, stocarea energiei pe scară largă etc. În prezent, deși relevante tehnologiile și procesele bateriilor litiu-ion s-au maturizat, iar bateriile litiu-ion au avantaje unice în diverse domenii, siguranța scăzută, durata de viață scăzută, rezistența la temperatură scăzută și costul ridicat al bateriilor litiu-ion nu pot fi ignorate. Prin urmare, este urgent să se dezvolte baterii low-cost cu siguranță ridicată, fiabilitate ridicată, rezistență la frig și căldură ca alternative la bateriile litiu-ion. În schimb, resursele de sodiu sunt al șaselea cel mai abundent element din scoarța terestră (aproximativ 150 de milioane de tone, reprezentând 2,74% din totalul elementelor din scoarța terestră), iar sodiul, ca component principal al sării de mare, este larg distribuit în oceanul, cu avantajele distribuției largi și uniforme, achiziției și epurării ușoare. În plus, sodiul este un element din primul grup principal precum litiul, iar proprietățile sale fizice și chimice, cum ar fi raza ionică și masa atomică, sunt similare cu cele ale litiului (Tabelul 1-1). Sodiul metalic are o capacitate specifică teoretică relativ mare (1166 mAhgl) și un potențial electrochimic de -2,71 V (față de un electrod standard de hidrogen). În rezumat, se așteaptă ca bateriile cu ioni de sodiu să devină un substitut pentru actualele baterii cu ioni de litiu, iar dezvoltarea și cercetarea bateriilor eficiente cu ioni de sodiu au o semnificație strategică importantă și o valoare de aplicare comercială.

2. Principii de bază și compoziția bateriilor sodiu-ion

1) Modul de lucru
Când bateria este încărcată, ionii de sodiu sunt eliberați din materialul electrodului pozitiv în electrolit, iar ionii de sodiu liberi din electrolit sunt încorporați în materialul electrodului negativ; în circuitul extern, electronii migrează de la electrodul pozitiv la cel negativ. Când bateria este descărcată, ionii de sodiu sunt eliberați din electrodul negativ și reîncorporați în materialul electrodului pozitiv; electronii circuitului extern curg de la electrodul negativ la electrodul pozitiv sub câmpul potențial.

2) Compoziție
Electrod pozitiv
Fiind o componentă importantă a bateriilor cu ioni de sodiu, materialul electrodului pozitiv furnizează ioni de sodiu în timpul primului ciclu de încărcare și descărcare. În plus, stabilitatea structurală a materialului electrodului pozitiv este în mare măsură legată de stabilitatea ciclului bateriei cu ioni de sodiu. Într-un material ideal de electrod pozitiv, contracția și expansiunea volumului cauzate de extracția și inserarea ionilor de sodiu pot provoca distorsiuni neglijabile și deteriorarea structurii cristaline și pot îmbunătăți eficient performanța electrochimică. În general, materialele polimerice organice cu structuri octaedrice și materialele oxidice stratificate cu structuri bidimensionale pot lega în mod eficient ionii de sodiu în octaedre și sunt materiale ideale pentru electrozi pozitivi pentru stocarea ionilor de sodiu.
Energia de legare a litiului și a sodiului este diferită. În aceeași structură, tensiunea de încorporare a ionilor de sodiu este semnificativ mai mică decât cea a ionilor de litiu (0,18-0,57V). În comparație cu ionii de litiu, ionii de sodiu au o masă și o dimensiune mai mare, ceea ce indică faptul că rata lor de difuzie este, de asemenea, semnificativ mai mică. Pentru a crește viteza de difuzie a ionilor de sodiu în materialele electrozilor, nanoizarea dimensiunii materialului electrodului este o modalitate eficientă.

Electrod negativ
Într-o baterie plină, materialul electrodului negativ este la fel de important pentru capacitatea, rata, stabilitatea ciclului și alte performanțe ale bateriei. Capacitatea specifică teoretică a catodului de sodiu metalic (1166mAhg-1) este mai mică decât cea a catodului de litiu metalic și are un potențial de reducere mai mare. Sodiul metalic are mai multe șanse să reacționeze și să se descompună în electroliții organici, ducând la formarea dendritelor de sodiu. Nu numai că, datorită punctului de topire scăzut al sodiului metalic (98°C), sodiul metalului este mai ușor de topit și difuzat în timpul procesului de încărcare și descărcare, ceea ce pune în pericol sănătatea bateriei. Prin urmare, perspectivele de aplicare ale bateriilor cu sodiu metalic sunt subțiri. Cu toate acestea, prin utilizarea ionilor de sodiu ca sursă de ioni pentru încorporare și dezintegrare, materialele electrozilor pozitivi și negativi pot fi încorporate și dezintegrate într-o manieră „bagănoasă” pentru a realiza încărcarea și descărcarea bateriei și reciclarea. de ioni de sodiu se poate realiza. Un astfel de design evită pericolele asociate cu activitatea scăzută a ionilor de sodiu. Din păcate, este dificil să se combine perfect cu alte componente ale materialului bateriei pentru a forma o baterie completă. Prin urmare, cele mai multe studii au studiat doar proprietățile electrochimice ale materialelor electrozilor noi și ale semicelulelor metalice de sodiu.