Princípios básicos e composição de baterias de íon de sódio

Princípios básicos e composição de baterias de íon de sódio

1. Visão geral de baterias de íon de sódio

Em vários sistemas de armazenamento de energia, as baterias de íons de lítio são amplamente utilizadas devido às suas vantagens, como alta energia e densidade de potência, longa vida útil, respeito ao meio ambiente e falta de efeito memória. Desde a comercialização bem sucedida de baterias de iões de lítio em 1991, estas têm desempenhado um papel de liderança importante e insubstituível em muitos campos importantes, tais como a indústria electrónica de consumo, novos veículos energéticos, armazenamento de energia em grande escala, etc. tecnologias e processos de baterias de íons de lítio amadureceram e as baterias de íons de lítio têm vantagens únicas em vários campos, a baixa segurança, o baixo ciclo de vida, a resistência a baixas temperaturas e o alto custo das baterias de íons de lítio não podem ser ignorados. Portanto, é urgente desenvolver baterias de baixo custo com alta segurança, alta confiabilidade, resistência ao frio e ao calor como alternativas às baterias de íon-lítio. Em contraste, os recursos de sódio são o sexto elemento mais abundante na crosta terrestre (cerca de 150 milhões de toneladas, representando 2,74% do total de elementos da crosta terrestre), e o sódio, como principal componente do sal marinho, está amplamente distribuído em o oceano, com as vantagens de distribuição ampla e uniforme, fácil aquisição e purificação. Além disso, o sódio é um elemento do primeiro grupo principal como o lítio, e suas propriedades físicas e químicas, como raio iônico e massa atômica, são semelhantes às do lítio (Tabela 1-1). O sódio metálico tem uma capacidade específica teórica relativamente alta (1166 mAhgl) e um potencial eletroquímico de -2,71 V (em relação a um eletrodo de hidrogênio padrão). Em resumo, espera-se que as baterias de íons de sódio se tornem um substituto para as atuais baterias de íons de lítio, e o desenvolvimento e a pesquisa de baterias eficientes de íons de sódio têm importante significado estratégico e valor de aplicação comercial.

2. Princípios básicos e composição de baterias de íon de sódio

1) Modo de trabalho
Quando a bateria está carregada, os íons de sódio são liberados do material do eletrodo positivo para o eletrólito, e os íons de sódio livres no eletrólito são incorporados no material do eletrodo negativo; no circuito externo, os elétrons migram do eletrodo positivo para o eletrodo negativo. Quando a bateria está descarregada, os íons de sódio são liberados do eletrodo negativo e reincorporados no material do eletrodo positivo; os elétrons do circuito externo fluem do eletrodo negativo para o eletrodo positivo sob o campo potencial.

2) Composição
Eletrodo positivo
Como um componente importante das baterias de íons de sódio, o material do eletrodo positivo fornece íons de sódio durante o primeiro ciclo de carga e descarga. Além disso, a estabilidade estrutural do material do eletrodo positivo está amplamente relacionada à estabilidade do ciclo da bateria de íons de sódio. Em um material de eletrodo positivo ideal, o encolhimento e a expansão do volume causados pela extração e inserção de íons de sódio podem causar distorção insignificante e danos à estrutura cristalina e podem efetivamente melhorar o desempenho eletroquímico. De modo geral, materiais poliméricos orgânicos com estruturas octaédricas e materiais de óxido em camadas com estruturas bidimensionais podem ligar efetivamente íons de sódio em octaedros e são materiais de eletrodos positivos ideais para armazenar íons de sódio.
A energia de ligação do lítio e do sódio é diferente. Na mesma estrutura, a tensão de incorporação dos íons de sódio é significativamente menor que a dos íons de lítio (0,18-0,57V). Comparados aos íons de lítio, os íons de sódio têm massa e tamanho maiores, o que indica que sua taxa de difusão também é significativamente menor. A fim de aumentar a taxa de difusão de íons de sódio em materiais de eletrodo, nanodimensionar o tamanho do material do eletrodo é uma forma eficaz.

Eletrodo negativo
Em uma bateria cheia, o material do eletrodo negativo é igualmente importante para a capacidade, taxa, estabilidade do ciclo e outros desempenhos da bateria. A capacidade específica teórica do cátodo metálico de sódio (1166mAhg-1) é inferior à do cátodo metálico de lítio e possui maior potencial de redução. O sódio metálico tem maior probabilidade de reagir e se decompor em eletrólitos orgânicos, levando à formação de dendritos de sódio. Além disso, devido ao baixo ponto de fusão do sódio metálico (98°C), o sódio metálico é mais fácil de derreter e difundir durante o processo de carga e descarga, o que põe em risco a saúde da bateria. Portanto, as perspectivas de aplicação das baterias de sódio metálico são mínimas. No entanto, ao usar íons de sódio como fonte de íons para incorporação e desincorporação, os materiais dos eletrodos positivos e negativos podem ser incorporados e desincorporados em uma forma de "cadeira de balanço" para realizar a carga e descarga da bateria, e a reciclagem de íons de sódio pode ser alcançado. Tal projeto evita os perigos associados à baixa atividade do íon sódio. Infelizmente, é difícil combinar perfeitamente com outros componentes do material da bateria para formar uma bateria completa. Portanto, a maioria dos estudos estudou apenas as propriedades eletroquímicas de novos materiais de eletrodos e meias-células metálicas de sódio.