Prinsip asas dan komposisi bateri natrium-ion

Prinsip asas dan komposisi bateri natrium-ion

1. Gambaran keseluruhan tentang bateri natrium-ion

Dalam pelbagai sistem penyimpanan tenaga, bateri litium-ion digunakan secara meluas kerana kelebihannya seperti ketumpatan tenaga dan kuasa yang tinggi, jangka hayat yang panjang, mesra alam dan kekurangan kesan ingatan. Sejak kejayaan pengkomersilan bateri litium-ion pada tahun 1991, ia telah memainkan peranan utama yang penting dan tidak boleh diganti dalam banyak bidang penting, seperti industri elektronik pengguna, kenderaan tenaga baharu, penyimpanan tenaga berskala besar, dan lain-lain. Pada masa ini, walaupun berkaitan teknologi dan proses bateri litium-ion telah matang, dan bateri litium-ion mempunyai kelebihan unik dalam pelbagai bidang, keselamatan yang rendah, hayat kitaran rendah, rintangan suhu rendah dan kos tinggi bateri litium-ion tidak boleh diabaikan. Oleh itu, adalah penting untuk membangunkan bateri kos rendah dengan keselamatan yang tinggi, kebolehpercayaan yang tinggi, rintangan sejuk dan haba sebagai alternatif kepada bateri litium-ion. Sebaliknya, sumber natrium adalah unsur keenam paling banyak dalam kerak bumi (kira-kira 150 juta tan, menyumbang 2.74% daripada jumlah unsur dalam kerak bumi), dan natrium, sebagai komponen utama garam laut, diedarkan secara meluas dalam lautan, dengan kelebihan pengedaran yang luas dan seragam, pemerolehan dan pembersihan yang mudah. Di samping itu, natrium ialah unsur kumpulan utama pertama seperti litium, dan sifat fizikal dan kimianya seperti jejari ionik dan jisim atom adalah serupa dengan litium (Jadual 1-1). Natrium logam mempunyai kapasiti khusus teori yang agak tinggi (1166 mAhgl) dan potensi elektrokimia -2.71 V (berbanding dengan elektrod hidrogen standard). Ringkasnya, bateri natrium-ion dijangka menjadi pengganti kepada bateri litium-ion semasa, dan pembangunan dan penyelidikan bateri natrium-ion yang cekap mempunyai kepentingan strategik yang penting dan nilai aplikasi komersial.

2. Prinsip asas dan komposisi bateri natrium-ion

1) Mod kerja
Apabila bateri dicas, ion natrium dilepaskan daripada bahan elektrod positif ke dalam elektrolit, dan ion natrium bebas dalam elektrolit tertanam dalam bahan elektrod negatif; dalam litar luar, elektron berhijrah dari elektrod positif ke elektrod negatif. Apabila bateri dinyahcas, ion natrium dilepaskan daripada elektrod negatif dan dibenamkan semula ke dalam bahan elektrod positif; elektron litar luar mengalir dari elektrod negatif ke elektrod positif di bawah medan potensi.

2) Komposisi
Elektrod positif
Sebagai komponen penting bateri natrium-ion, bahan elektrod positif menyediakan ion natrium semasa kitaran pertama pengecasan dan nyahcas. Di samping itu, kestabilan struktur bahan elektrod positif sebahagian besarnya berkaitan dengan kestabilan kitaran bateri natrium-ion. Dalam bahan elektrod positif yang ideal, pengecutan dan pengembangan isipadu yang disebabkan oleh pengekstrakan dan pemasukan ion natrium boleh menyebabkan herotan dan kerosakan yang boleh diabaikan pada struktur kristal, dan boleh meningkatkan prestasi elektrokimia dengan berkesan. Secara umumnya, bahan polimer organik dengan struktur oktahedral dan bahan oksida berlapis dengan struktur dua dimensi boleh mengikat ion natrium dalam oktahedron dengan berkesan dan merupakan bahan elektrod positif yang ideal untuk menyimpan ion natrium.
Tenaga pengikat litium dan natrium adalah berbeza. Dalam struktur yang sama, voltan pemasukan ion natrium jauh lebih rendah daripada ion litium (0.18-0.57V). Berbanding dengan ion litium, ion natrium mempunyai jisim dan saiz yang lebih besar, yang menunjukkan bahawa kadar resapannya juga jauh lebih rendah. Untuk meningkatkan kadar resapan ion natrium dalam bahan elektrod, saiz nano saiz bahan elektrod adalah cara yang berkesan.

Elektrod negatif
Dalam bateri penuh, bahan elektrod negatif adalah sama penting dengan kapasiti bateri, kadar, kestabilan kitaran dan prestasi lain. Kapasiti spesifik teori katod logam natrium (1166mAhg-1) adalah lebih rendah daripada katod logam litium, dan ia mempunyai potensi pengurangan yang lebih tinggi. Natrium logam lebih cenderung untuk bertindak balas dan terurai dalam elektrolit organik, yang membawa kepada pembentukan dendrit natrium. Bukan itu sahaja, disebabkan takat lebur logam natrium yang rendah (98°C), logam natrium lebih mudah cair dan meresap semasa proses pengecasan dan nyahcas, yang membahayakan kesihatan bateri. Oleh itu, prospek penggunaan bateri logam natrium adalah tipis. Walau bagaimanapun, dengan menggunakan ion natrium sebagai sumber ion untuk membenam dan menyahbenam, bahan elektrod positif dan negatif boleh dibenamkan dan dinyahbenam dalam cara "kerusi goyang" untuk merealisasikan pengecasan dan pelepasan bateri, dan kitar semula. ion natrium boleh dicapai. Reka bentuk sedemikian mengelakkan bahaya yang berkaitan dengan aktiviti ion natrium yang rendah. Malangnya, sukar untuk digabungkan dengan lancar dengan komponen lain bahan bateri untuk membentuk bateri yang lengkap. Oleh itu, kebanyakan kajian hanya mengkaji sifat elektrokimia bahan elektrod baru dan separuh sel natrium logam.