Основные принципы и состав натрий-ионных аккумуляторов

Основные принципы и состав натрий-ионных аккумуляторов

1. Обзор натрий-ионные аккумуляторы

В различных системах накопления энергии широко используются литий-ионные аккумуляторы благодаря таким их преимуществам, как высокая энергия и плотность мощности, длительный срок службы, экологичность и отсутствие эффекта памяти. С момента успешной коммерциализации литий-ионных аккумуляторов в 1991 году они сыграли важную и незаменимую ведущую роль во многих важных областях, таких как промышленность бытовой электроники, новые энергетические транспортные средства, крупномасштабное хранение энергии и т. д. В настоящее время, хотя соответствующие технологии и процессы производства литий-ионных батарей созрели, а литий-ионные батареи имеют уникальные преимущества в различных областях, нельзя игнорировать низкую безопасность, малый срок службы, низкую термостойкость и высокую стоимость литий-ионных батарей. Поэтому актуальна разработка недорогих аккумуляторов с высокой безопасностью, высокой надежностью, морозо- и термостойкостью как альтернативы литий-ионным аккумуляторам. Напротив, ресурсы натрия являются шестым по распространенности элементом в земной коре (около 150 млн тонн, что составляет 2,74% от общего количества элементов в земной коре), а натрий, как основной компонент морской соли, широко распространен в океан, с преимуществами широкого и равномерного распределения, простоты сбора и очистки. Кроме того, натрий является элементом первой основной группы, как и литий, и его физические и химические свойства, такие как ионный радиус и атомная масса, аналогичны свойствам лития (табл. 1-1). Металлический натрий имеет относительно высокую теоретическую удельную емкость (1166 мАчгл) и электрохимический потенциал -2,71 В (относительно стандартного водородного электрода). Таким образом, ожидается, что натрий-ионные батареи станут заменой нынешних литий-ионных батарей, а разработка и исследование эффективных натрий-ионных батарей имеет важное стратегическое значение и ценность коммерческого применения.

2. Основные принципы и состав натрий-ионных аккумуляторов.

1) Режим работы
Когда аккумулятор заряжается, ионы натрия высвобождаются из материала положительного электрода в электролит, а свободные ионы натрия в электролите внедряются в материал отрицательного электрода; во внешней цепи электроны мигрируют от положительного электрода к отрицательному. Когда аккумулятор разряжается, ионы натрия высвобождаются из отрицательного электрода и снова внедряются в материал положительного электрода; Электроны внешней цепи текут от отрицательного электрода к положительному электроду под потенциальным полем.

2) Состав
Положительный электрод
Являясь важным компонентом натрий-ионных аккумуляторов, материал положительного электрода обеспечивает ионы натрия во время первого цикла зарядки и разрядки. Кроме того, структурная стабильность материала положительного электрода во многом связана со стабильностью цикла натрий-ионной батареи. В идеальном материале положительного электрода объемная усадка и расширение, вызванные экстракцией и внедрением ионов натрия, могут вызвать незначительные искажения и повреждения кристаллической структуры и могут эффективно улучшить электрохимические характеристики. Вообще говоря, органические полимерные материалы с октаэдрической структурой и слоистые оксидные материалы с двумерной структурой могут эффективно связывать ионы натрия в октаэдрах и являются идеальными материалами положительных электродов для хранения ионов натрия.
Энергия связи лития и натрия различна. В этой же структуре напряжение внедрения ионов натрия значительно ниже, чем у ионов лития (0,18-0,57В). По сравнению с ионами лития ионы натрия имеют большую массу и размер, что свидетельствует о том, что скорость их диффузии также существенно ниже. Эффективным способом увеличения скорости диффузии ионов натрия в электродных материалах является наноразмер материала электрода.

Отрицательный электрод
В полностью заряженной батарее материал отрицательного электрода одинаково важен для ее емкости, скорости, стабильности цикла и других характеристик. Теоретическая удельная емкость катода из металлического натрия (1166 мАчг-1) ниже, чем у катода из металлического лития, и он имеет более высокий восстановительный потенциал. Металлический натрий с большей вероятностью вступает в реакцию и разлагается в органических электролитах, что приводит к образованию дендритов натрия. Мало того, из-за низкой температуры плавления металлического натрия (98°C), металлический натрий легче плавится и диффундирует в процессе зарядки и разрядки, что ставит под угрозу здоровье аккумулятора. Таким образом, перспективы применения металлических натриевых батарей невелики. Однако, используя ионы натрия в качестве источника ионов для внедрения и извлечения, материалы положительных и отрицательных электродов могут быть внедрены и извлечены методом «качалки», чтобы реализовать зарядку и разрядку батареи, а также переработку. ионов натрия. Такая конструкция позволяет избежать опасностей, связанных с низкой активностью ионов натрия. К сожалению, его сложно легко объединить с другими компонентами материала батареи, чтобы сформировать полноценную батарею. Поэтому в большинстве исследований изучались только электрохимические свойства новых электродных материалов и полуэлементов металлического натрия.