Basisprincipes en samenstelling van natrium-ionbatterijen

Basisprincipes en samenstelling van natrium-ionbatterijen

1. Overzicht van natrium-ion batterijen

In verschillende energieopslagsystemen worden lithium-ionbatterijen veel gebruikt vanwege hun voordelen zoals hoge energie- en vermogensdichtheid, lange levensduur, milieuvriendelijkheid en gebrek aan geheugeneffect. Sinds de succesvolle commercialisering van lithium-ionbatterijen in 1991 hebben ze een belangrijke en onvervangbare leidende rol gespeeld op veel belangrijke gebieden, zoals de consumentenelektronica-industrie, nieuwe energievoertuigen, grootschalige energieopslag, enz. Hoewel de relevante De technologieën en processen van lithium-ionbatterijen zijn volwassen geworden en lithium-ionbatterijen hebben unieke voordelen op verschillende gebieden. De lage veiligheid, de lage levensduur, de lage temperatuurbestendigheid en de hoge kosten van lithium-ionbatterijen kunnen niet worden genegeerd. Daarom is het dringend nodig om goedkope batterijen met hoge veiligheid, hoge betrouwbaarheid en koude- en hittebestendigheid te ontwikkelen als alternatief voor lithium-ionbatterijen. Daarentegen zijn de natriumvoorraden het zesde meest voorkomende element in de aardkorst (ongeveer 150 miljoen ton, goed voor 2,74% van de totale elementen in de aardkorst), en is natrium, als hoofdbestanddeel van zeezout, wijd verspreid in de wereld. de oceaan, met de voordelen van een brede en uniforme verspreiding, gemakkelijke verwerving en zuivering. Bovendien is natrium een element van de eerste hoofdgroep, net als lithium, en zijn de fysische en chemische eigenschappen, zoals de ionenstraal en de atoommassa, vergelijkbaar met die van lithium (Tabel 1-1). Metallisch natrium heeft een relatief hoge theoretische specifieke capaciteit (1166 mAhgl) en een elektrochemisch potentieel van -2,71 V (ten opzichte van een standaard waterstofelektrode). Samenvattend wordt verwacht dat natrium-ionbatterijen een vervanging zullen worden voor de huidige lithium-ionbatterijen, en de ontwikkeling en het onderzoek naar efficiënte natrium-ionbatterijen heeft een belangrijke strategische betekenis en commerciële toepassingswaarde.

2. Basisprincipes en samenstelling van natrium-ionbatterijen

1) Werkmodus
Wanneer de batterij wordt opgeladen, komen natriumionen vrij uit het positieve elektrodemateriaal in de elektrolyt, en worden de vrije natriumionen in de elektrolyt ingebed in het negatieve elektrodemateriaal; in het externe circuit migreren elektronen van de positieve elektrode naar de negatieve elektrode. Wanneer de batterij wordt ontladen, komen natriumionen vrij van de negatieve elektrode en opnieuw ingebed in het positieve elektrodemateriaal; de elektronen van het externe circuit stromen van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode onder het potentiaalveld.

2) Samenstelling
Positieve elektrode
Als belangrijk onderdeel van natriumionbatterijen levert het positieve elektrodemateriaal natriumionen tijdens de eerste cyclus van opladen en ontladen. Bovendien houdt de structurele stabiliteit van het positieve elektrodemateriaal grotendeels verband met de cyclusstabiliteit van de natriumionenbatterij. In een ideaal positief elektrodemateriaal kunnen de volumekrimp en -uitzetting veroorzaakt door de extractie en insertie van natriumionen een verwaarloosbare vervorming en schade aan de kristalstructuur veroorzaken, en kunnen ze de elektrochemische prestaties effectief verbeteren. Over het algemeen kunnen organische polymeermaterialen met octaëdrische structuren en gelaagde oxidematerialen met tweedimensionale structuren natriumionen effectief binden in octaëders en zijn ze ideale positieve elektrodematerialen voor het opslaan van natriumionen.
De bindingsenergie van lithium en natrium is verschillend. In dezelfde structuur is de inbeddingsspanning van natriumionen aanzienlijk lager dan die van lithiumionen (0,18-0,57 V). Vergeleken met lithiumionen hebben natriumionen een grotere massa en omvang, wat erop wijst dat hun diffusiesnelheid ook aanzienlijk lager is. Om de diffusiesnelheid van natriumionen in elektrodematerialen te verhogen, is het nanoformaat van de elektrodemateriaalgrootte een effectieve manier.

Negatieve elektrode
Bij een volle batterij is het negatieve elektrodemateriaal even belangrijk voor de capaciteit, snelheid, cyclusstabiliteit en andere prestaties van de batterij. De theoretische specifieke capaciteit van de natriummetaalkathode (1166mAhg-1) is lager dan die van de lithiummetaalkathode en heeft een hoger reductiepotentieel. Het is waarschijnlijker dat metallisch natrium reageert en uiteenvalt in organische elektrolyten, wat leidt tot de vorming van natriumdendrieten. Niet alleen dat, dankzij het lage smeltpunt van natriummetaal (98°C), is natriummetaal gemakkelijker te smelten en te verspreiden tijdens het laad- en ontlaadproces, wat de gezondheid van de batterij in gevaar brengt. Daarom zijn de toepassingsvooruitzichten van natriummetaalbatterijen klein. Door echter natriumionen als ionenbron voor het inbedden en de-inbedden te gebruiken, kunnen de positieve en negatieve elektrodematerialen op een "schommelstoel"-manier worden ingebed en gede-embed om het opladen en ontladen van de batterij en de recycling te realiseren. van natriumionen kan worden bereikt. Een dergelijk ontwerp vermijdt de gevaren die gepaard gaan met een lage natriumionactiviteit. Helaas is het lastig om naadloos te combineren met andere componenten van het batterijmateriaal om een complete batterij te vormen. Daarom hebben de meeste onderzoeken alleen de elektrochemische eigenschappen van nieuwe elektrodematerialen en metaalnatriumhalfcellen bestudeerd.