Основни принципи и състав на натриево-йонни батерии

Основни принципи и състав на натриево-йонни батерии

1. Преглед на натриево-йонни батерии

В различни системи за съхранение на енергия литиево-йонните батерии се използват широко поради техните предимства като висока енергийна и мощностна плътност, дълъг живот, екологичност и липса на ефект на паметта. След успешното комерсиализиране на литиево-йонните батерии през 1991 г., те играят важна и незаменима водеща роля в много важни области, като индустрията на потребителската електроника, превозни средства с нова енергия, широкомащабно съхранение на енергия и т.н. В момента, въпреки че съответните технологиите и процесите на литиево-йонните батерии са узрели и литиево-йонните батерии имат уникални предимства в различни области, ниската безопасност, ниският живот на цикъла, устойчивостта на ниска температура и високата цена на литиево-йонните батерии не могат да бъдат пренебрегнати. Ето защо е необходимо спешно да се разработят евтини батерии с висока безопасност, висока надеждност, устойчивост на студ и топлина като алтернативи на литиево-йонните батерии. За разлика от това, натриевите ресурси са шестият най-разпространен елемент в земната кора (около 150 милиона тона, което представлява 2,74% от общите елементи в земната кора), а натрият, като основен компонент на морската сол, е широко разпространен в океана, с предимствата на широко и равномерно разпределение, лесно придобиване и пречистване. Освен това натрият е елемент от първата основна група като лития и неговите физични и химични свойства като йонен радиус и атомна маса са подобни на тези на лития (Таблица 1-1). Металният натрий има относително висок теоретичен специфичен капацитет (1166 mAhgl) и електрохимичен потенциал от -2,71 V (спрямо стандартен водороден електрод). В обобщение, натриево-йонните батерии се очаква да станат заместител на настоящите литиево-йонни батерии, а разработването и изследването на ефективни натриево-йонни батерии има важно стратегическо значение и стойност за търговско приложение.

2. Основни принципи и състав на натриево-йонни батерии

1) Режим на работа
Когато батерията е заредена, натриевите йони се освобождават от материала на положителния електрод в електролита, а свободните натриеви йони в електролита се вграждат в материала на отрицателния електрод; във външната верига електроните мигрират от положителния към отрицателния електрод. Когато батерията се разреди, натриевите йони се освобождават от отрицателния електрод и се вграждат отново в материала на положителния електрод; електроните на външната верига протичат от отрицателния електрод към положителния електрод под потенциалното поле.

2) Състав
Положителен електрод
Като важен компонент на натриево-йонните батерии, материалът на положителния електрод осигурява натриеви йони по време на първия цикъл на зареждане и разреждане. В допълнение, структурната стабилност на материала на положителния електрод е до голяма степен свързана със стабилността на цикъла на натриево-йонната батерия. В идеалния положителен електроден материал свиването и разширяването на обема, причинени от извличането и вмъкването на натриеви йони, може да причини незначително изкривяване и увреждане на кристалната структура и може ефективно да подобри електрохимичните характеристики. Най-общо казано, органични полимерни материали с октаедрични структури и слоести оксидни материали с двуизмерни структури могат ефективно да свързват натриеви йони в октаедри и са идеални положителни електродни материали за съхранение на натриеви йони.
Енергията на свързване на лития и натрия е различна. В същата структура напрежението на вграждане на натриевите йони е значително по-ниско от това на литиевите йони (0,18-0,57V). В сравнение с литиевите йони, натриевите йони имат по-голяма маса и размер, което показва, че тяхната скорост на дифузия също е значително по-ниска. За да се увеличи скоростта на дифузия на натриевите йони в електродните материали, наноразмеряването на размера на електродния материал е ефективен начин.

Отрицателен електрод
При пълна батерия материалът на отрицателния електрод е еднакво важен за капацитета, скоростта, стабилността на цикъла и други характеристики на батерията. Теоретичният специфичен капацитет на натриевия метален катод (1166 mAhg-1) е по-нисък от този на литиевия метален катод и има по-висок редукционен потенциал. Металният натрий е по-вероятно да реагира и да се разложи в органични електролити, което води до образуването на натриеви дендрити. Не само това, поради ниската точка на топене на металния натрий (98°C), металният натрий е по-лесен за топене и дифузия по време на процеса на зареждане и разреждане, което застрашава здравето на батерията. Следователно перспективите за приложение на натриево-металните батерии са малки. Въпреки това, чрез използване на натриеви йони като източник на йони за вграждане и де-вграждане, положителните и отрицателните електродни материали могат да бъдат вградени и де-вградени по начин на "люлеещ се стол", за да се реализира зареждането и разреждането на батерията и рециклирането на натриеви йони може да се постигне. Такава конструкция избягва опасностите, свързани с ниската активност на натриевите йони. За съжаление е трудно да се комбинира безпроблемно с други компоненти на материала на батерията, за да се образува пълна батерия. Поради това повечето изследвания са изследвали само електрохимичните свойства на нови електродни материали и метални натриеви полуклетки.