I. Sodyum-İyon Pillerine Genel Bakış
Sodyum iyon piller, pozitif ve negatif elektrotlar arasındaki sodyum iyonlarının hareketine güvenerek şarj ve deşarjı tamamlayan bir pil türüdür ve çalışma prensibi lityum iyon pillere benzerdir. Bir sodyum iyon pili esas olarak pozitif bir elektrot, negatif bir elektrottan oluşur.BİR elektrolit, Aayırıcı, ve bir akım toplayıcısı. Şarj sırasında, Na⁺ pozitif elektrottan çıkarılır, ayırıcıdan geçer ve elektronlarla birleşmek üzere negatif elektrota gömülür. Boşaltma sırasında, Na⁺ negatif elektrottan çıkarılır, ayırıcıdan geçer ve pozitif elektrota gömülür, elektronlar ise harici bir devre aracılığıyla negatif elektrottan pozitif elektrota aktarılır. Son olarak, pozitif elektrotta sodyum açısından zengin durumu geri kazandırmak için bir redoks reaksiyonu meydana gelir.
Sodyum iyon pillerinin şarj ve deşarjının şematik diyagramı
II. Üç Teknik Rota
Lityum iyon pillerle karşılaştırıldığında, sodyum iyon pillerdeki en önemli değişiklik, performansı pilin enerji yoğunluğunu, güvenliğini ve çevrim ömrünü belirleyen önemli bir faktör olan katot malzemelerinde yatmaktadır. Sodyum iyonları, lityum iyonlarından daha büyük bir kütleye ve yarıçapa sahiptir ve bu da daha düşük iyonik difüzyon oranlarıyla sonuçlanır. Bu, pil performansında biraz daha düşük teorik kapasite ve reaksiyon kinetiğine yansır ve bu sorunları ele almak için katot malzemelerinde atılımlar gerektirir. Şu anda, katot malzemeleri için teknik rota henüz belirlenmemiştir, ancak katmanlı oksitler, Prusya mavisi analoglar, Ve polianyon bileşikleriÖne çıkması beklenen üç ümit verici rota.
BENII. Katmanlı Oksitler
Katmanlı oksitler için genel formül NaxMO2'dir, burada M vanadyum (V), krom (Cr), manganez (Mn), demir (Fe), kobalt (Co), nikel (Ni), bakır (Cu) vb. gibi geçiş metal elementlerini ifade eder. Bunlar arasında kaynaklarda bol miktarda bulunan manganez (Mn) ve demir (Fe) en yaygın olanlarıdır. Geçiş metal oksitleri ayrıca iki türe ayrılabilir: katmanlı ve tünel. Sodyum içeriği düşük olduğunda (x<0,5), tünel yapısı çoğunlukla mevcuttur. Sodyum içeriği nispeten yüksek olduğunda, genellikle katmanlar arasında Na+ bulunan katmanlı bir yapı hakimdir ve MO2 katmanları ile sodyum katmanlarının dönüşümlü olarak düzenlendiği katmanlı bir yapı oluşturur.
IV. Prusya Mavisi analogları
Prusya mavisi analoglarının genel formülü NaxMA[MB(CN)6]·zH2O'dur. MA ve MB, esas olarak demir (Fe), kobalt (Co), nikel (Ni), manganez (Mn) vb. olmak üzere geçiş metal elementlerini temsil eder. Prusya mavisi bileşiklerinin benzersiz açık çerçevesi ve üç boyutlu makro gözenekli yapısı nedeniyle, sodyum iyonlarının göçü ve depolanması için uygundurlar. Avantajlar açısından, demir bazlıPrusya mavisi ve manganez bazlı Prusya mavisi, bol miktarda ham madde, düşük maliyet, yüksek özgül kapasite, yüksek hız performansı ve mükemmel elektrokimyasal kararlılık avantajlarına sahiptir. Dezavantajlar açısından, mevcut üretim yöntemleri çoğunlukla eş-çöktürme yöntemini benimsediğinden, sıklıkla çok sayıda kristal su ve Fe(CN)6 yapısal kusuru üretilir. Kristal su, kristaldeki sodyum depolama alanlarını ve sodyum iyon deinterkalasyon kanallarını işgal etmeye eğilimlidir, bu da malzemedeki sodyum iyonu içeriğinde bir azalmaya ve sodyum iyon göç oranında bir azalmaya neden olur. Fe(CN)6'nın yapısal kusurları ve kristal suyu, malzemenin şarj ve deşarj süreci sırasında yapısal çökmeye neden olabilir ve malzemenin döngü performansını etkileyebilir.
Prusya mavisi bileşiklerinin üretim süreçleri esas olarak eş çöktürme ve hidrotermal sentezi içerir. Bunlar arasında eş çöktürme, basit hazırlama süreci, yüksek sıcaklıkta işleme gerek olmaması ve saf faz ürünlerinin kolay elde edilmesi avantajlarına sahip en yaygın yöntemdir. Ancak, şu anda eş çöktürme yönteminin hala iki sorunu vardır. Birincisi, uzun hazırlama süresidir; İkincisi, düşük çıktıdır. Hidrotermal sentez yöntemi, eş çöktürme yöntemiyle birçok benzerliğe sahiptir. Kısa reaksiyon süresi ve malzeme parçacıklarının düzgün dağılımı avantajlarına sahiptir. Ancak, şu anda hidrotermal sentez yönteminin üç dezavantajı vardır. Birincisi, reaksiyon süreci kapalı bir sistemde gerçekleşir ve reaksiyon süreci doğrudan gözlemlenemez. İkincisi, üretim ekipmanı için yüksek gereksinimlere sahip yüksek sıcaklık ve yüksek basınç adımları vardır. Üçüncüsü, süreç zahmetlidir ve endüstriyel üretim için uygun değildir.
V. Polianyonik bileşikler
Polianyonik bileşiklerin genel formülü NaxMy[(XOm)n-]z'dir, burada M değişken değerlik durumuna sahip bir metal iyonudur ve X, P, S ve V gibi elementlerdir. İyi kararlılık, döngü performansı ve güvenlik avantajlarına sahiptir, ancak düşük özgül kapasite ve zayıf iletkenlik sorunları vardır. Farklı yapılarına göre olivin yapılı fosfatlar, NASCICON (Na+ hızlı iyon iletkeni) bileşikleri ve fosfat bileşikleri olarak sınıflandırılabilirler.
Sodyum iyon piller için katot malzemesi olarak olivin yapılı NaFePO4'ün hazırlanma yöntemi lityum demir fosfata benzerdir. Teorik kapasitesi 154mAh/g'dır ve çalışma voltajı 2,9V'dur. Ancak, kendi elektriksel iletkenliği nispeten düşüktür ve yalnızca tek boyutlu Na+ difüzyon kanallarına sahiptir, bu da gerçek performansını etkiler. Şu anda, elektriksel iletkenlik karbon kaplama veya iyon ikamesi yoluyla iyileştirilmektedir. Nascicon yapılı bileşikler, yaklaşık 120mAh/g teorik özgül kapasiteye ve yaklaşık 3,3V çalışma voltajına sahip hızlı iyonik iletkenlerdir. 3B çerçeve yapısına, yüksek iyon difüzyon hızına ve iyi kinetik ve döngü kararlılığına sahiptirler. Ancak, pentavalan V tanıtıldığında, genellikle toksiktir ve insan sağlığı için büyük bir tehdit oluşturur, bu da bir dereceye kadar büyük ölçekli kullanımını sınırlar.
Çeşitli polianyonik katot malzemelerinin kristal yapıları
