Principios básicos y composición de las baterías de iones de sodio.

Principios básicos y composición de las baterías de iones de sodio.

1. Descripción general de baterías de iones de sodio

En diversos sistemas de almacenamiento de energía, las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente debido a sus ventajas, como alta densidad de energía y potencia, larga vida útil, respeto al medio ambiente y falta de efecto memoria. Desde la exitosa comercialización de las baterías de iones de litio en 1991, han desempeñado un papel importante e irreemplazable en muchos campos importantes, como la industria de la electrónica de consumo, los vehículos de nueva energía, el almacenamiento de energía a gran escala, etc. Las tecnologías y procesos de las baterías de iones de litio han madurado y las baterías de iones de litio tienen ventajas únicas en varios campos, no se pueden ignorar la baja seguridad, el bajo ciclo de vida, la resistencia a bajas temperaturas y el alto costo de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, es urgente desarrollar baterías de bajo costo con alta seguridad, alta confiabilidad y resistencia al frío y al calor como alternativas a las baterías de iones de litio. Por el contrario, los recursos de sodio son el sexto elemento más abundante en la corteza terrestre (alrededor de 150 millones de toneladas, lo que representa el 2,74% del total de elementos de la corteza terrestre), y el sodio, como componente principal de la sal marina, está ampliamente distribuido en el océano, con las ventajas de una distribución amplia y uniforme, fácil adquisición y purificación. Además, el sodio es un elemento del primer grupo principal como el litio, y sus propiedades físicas y químicas, como el radio iónico y la masa atómica, son similares a las del litio (Tabla 1-1). El sodio metálico tiene una capacidad específica teórica relativamente alta (1166 mAhgl) y un potencial electroquímico de -2,71 V (en relación con un electrodo de hidrógeno estándar). En resumen, se espera que las baterías de iones de sodio se conviertan en un sustituto de las actuales baterías de iones de litio, y el desarrollo y la investigación de baterías de iones de sodio eficientes tienen una importancia estratégica importante y un valor de aplicación comercial.

2. Principios básicos y composición de las baterías de iones de sodio.

1) Modo de trabajo
Cuando se carga la batería, los iones de sodio se liberan del material del electrodo positivo al electrolito y los iones de sodio libres del electrolito se incrustan en el material del electrodo negativo; en el circuito externo, los electrones migran del electrodo positivo al electrodo negativo. Cuando la batería se descarga, los iones de sodio se liberan del electrodo negativo y se vuelven a incrustar en el material del electrodo positivo; Los electrones del circuito externo fluyen desde el electrodo negativo al electrodo positivo bajo el campo potencial.

2) Composición
Electrodo positivo
Como componente importante de las baterías de iones de sodio, el material del electrodo positivo proporciona iones de sodio durante el primer ciclo de carga y descarga. Además, la estabilidad estructural del material del electrodo positivo está relacionada en gran medida con la estabilidad del ciclo de la batería de iones de sodio. En un material de electrodo positivo ideal, la contracción y expansión del volumen causada por la extracción e inserción de iones de sodio pueden causar una distorsión y daño insignificantes a la estructura cristalina y pueden mejorar efectivamente el rendimiento electroquímico. En términos generales, los materiales poliméricos orgánicos con estructuras octaédricas y los materiales de óxido en capas con estructuras bidimensionales pueden unir eficazmente iones de sodio en octaedros y son materiales de electrodos positivos ideales para almacenar iones de sodio.
La energía de unión del litio y el sodio es diferente. En la misma estructura, el voltaje de incrustación de los iones de sodio es significativamente menor que el de los iones de litio (0,18-0,57 V). En comparación con los iones de litio, los iones de sodio tienen una masa y un tamaño mayores, lo que indica que su velocidad de difusión también es significativamente menor. Para aumentar la velocidad de difusión de los iones de sodio en los materiales de los electrodos, nanodimensionar el tamaño del material del electrodo es una forma eficaz.

electrodo negativo
En una batería llena, el material del electrodo negativo es igualmente importante para la capacidad, velocidad, estabilidad del ciclo y otros rendimientos de la batería. La capacidad específica teórica del cátodo de sodio metálico (1166 mAhg-1) es menor que la del cátodo de litio metálico y tiene un mayor potencial de reducción. Es más probable que el sodio metálico reaccione y se descomponga en electrolitos orgánicos, lo que lleva a la formación de dendritas de sodio. No solo eso, debido al bajo punto de fusión del sodio metálico (98 °C), el sodio metálico es más fácil de fundir y difundir durante el proceso de carga y descarga, lo que pone en peligro la salud de la batería. Por lo tanto, las perspectivas de aplicación de las baterías de sodio metálico son escasas. Sin embargo, al utilizar iones de sodio como fuente de iones para la incrustación y desincrustación, los materiales de los electrodos positivos y negativos se pueden incrustar y desincrustar en forma de "mecedora" para realizar la carga y descarga de la batería y el reciclaje. de iones de sodio se puede lograr. Un diseño de este tipo evita los peligros asociados con la baja actividad de los iones de sodio. Desafortunadamente, es difícil combinarlo perfectamente con otros componentes del material de la batería para formar una batería completa. Por lo tanto, la mayoría de los estudios solo han estudiado las propiedades electroquímicas de nuevos materiales de electrodos y medias celdas de sodio metálico.