I. Overzicht van natriumionbatterijen
Natriumionbatterijen zijn een type batterij dat het opladen en ontladen voltooit door de beweging van natriumionen tussen de positieve en negatieve elektroden, met een werkingsprincipe dat vergelijkbaar is met dat van lithiumionbatterijen. Een natriumionbatterij bestaat voornamelijk uit een positieve elektrode, een negatieve elektrode,een elektrolyt, Ascheidingstekenen een stroomcollector. Tijdens het opladen wordt Na⁺ aan de positieve elektrode onttrokken, door de separator geleid en in de negatieve elektrode opgenomen om zich met elektronen te verbinden. Tijdens het ontladen wordt Na⁺ aan de negatieve elektrode onttrokken, door de separator geleid en in de positieve elektrode opgenomen, terwijl elektronen via een extern circuit van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode worden overgebracht. Ten slotte vindt er een redoxreactie plaats in de positieve elektrode om de natriumrijke toestand te herstellen.
Schematisch diagram van het laden en ontladen van natriumionbatterijen
II. Drie technische routes
Vergeleken met lithium-ionbatterijen ligt de belangrijkste verandering in natrium-ionbatterijen in de kathodematerialen. De prestaties hiervan zijn ook een belangrijke factor die de energiedichtheid, veiligheid en levensduur van de batterij bepaalt. Natriumionen hebben een grotere massa en straal dan lithiumionen, wat resulteert in lagere ionendiffusiesnelheden. Dit komt tot uiting in een iets lagere theoretische capaciteit en reactiekinetiek in batterijprestaties, waarvoor doorbraken in kathodematerialen nodig zijn om deze problemen aan te pakken. Momenteel is de technische route voor kathodematerialen nog niet bepaald, maar gelaagde oxiden, Pruisisch blauw analogen, En polyanionverbindingen zijndrie veelbelovende routes die naar verwachting in het oog zullen springen.
III. Gelaagde oxiden
De algemene formule voor gelaagde oxiden is NaxMO2, waarbij M verwijst naar overgangsmetaalelementen, zoals vanadium (V), chroom (Cr), mangaan (Mn), ijzer (Fe), kobalt (Co), nikkel (Ni), koper (Cu), enz. Mangaan (Mn) en ijzer (Fe), die in grote hoeveelheden aanwezig zijn, komen het meest voor. Overgangsmetaaloxiden kunnen verder worden onderverdeeld in twee typen: gelaagd en tunnel. Bij een laag natriumgehalte (x < 0,5) is de tunnelstructuur overwegend aanwezig. Bij een relatief hoog natriumgehalte wordt deze over het algemeen gedomineerd door een gelaagde structuur, met Na+ tussen de lagen, waardoor een gelaagde structuur ontstaat waarin MO2-lagen en natriumlagen afwisselend zijn gerangschikt.
Iv. Pruisisch Blauwe analogen
De algemene formule voor Pruisisch blauw-analogen is NaxMA[MB(CN)6]·zH2O. MA en MB staan voor overgangsmetaalelementen, voornamelijk ijzer (Fe), kobalt (Co), nikkel (Ni), mangaan (Mn), enz. Dankzij het unieke open frame en de driedimensionale macroporeuze structuur van Pruisisch blauw-verbindingen zijn ze geschikt voor de migratie en opslag van natriumionen. Wat betreft de voordelen, ijzergebaseerdePruisisch blauw Pruisisch blauw op mangaanbasis heeft de voordelen van overvloedige grondstoffen, lage kosten, een hoge specifieke capaciteit, hoge verwerkingssnelheid en uitstekende elektrochemische stabiliteit. Nadelen zijn dat de huidige productiemethoden meestal de coprecipitatiemethode gebruiken, waardoor er vaak veel kristalwater en Fe(CN)6-structuurdefecten ontstaan. Het kristalwater heeft de neiging om de natriumopslagplaatsen en de de-intercalatiekanalen voor natriumionen in het kristal te bezetten, wat resulteert in een afname van het natriumiongehalte in het materiaal en een afname van de natriumionmigratiesnelheid. Structuurdefecten en kristalwater van Fe(CN)6 kunnen leiden tot structurele instorting tijdens het laad- en ontlaadproces van het materiaal, wat de cyclische prestaties van het materiaal beïnvloedt.
De productieprocessen van Pruisisch blauwverbindingen omvatten voornamelijk coprecipitatie en hydrothermische synthese. Coprecipitatie is de meest voorkomende methode, die de voordelen heeft van een eenvoudig bereidingsproces, geen noodzaak voor hogetemperatuurbehandeling en gemakkelijke verkrijging van zuivere faseproducten. Momenteel heeft de coprecipitatiemethode echter nog steeds twee problemen. Ten eerste is de lange voorbereidingstijd; ten tweede is de lage output. De hydrothermische synthesemethode vertoont veel overeenkomsten met de coprecipitatiemethode. Het heeft de voordelen van een korte reactietijd en een uniforme verdeling van materiaaldeeltjes. Momenteel heeft de hydrothermische synthesemethode echter drie nadelen. Ten eerste vindt het reactieproces plaats in een gesloten systeem en kan het reactieproces niet direct worden waargenomen. Ten tweede zijn er hogetemperatuur- en hogedrukstappen, die hoge eisen stellen aan de productieapparatuur. Ten derde is het proces omslachtig en niet geschikt voor industriële productie.
V. Polyanionische verbindingen
De algemene formule van polyanionische verbindingen is NaxMy[(XOm)n-]z, waarbij M een metaalion met een variabele valentie is en X elementen zoals P, S en V. Deze formule biedt voordelen zoals goede stabiliteit, goede cyclische prestaties en veiligheid, maar kent problemen met een lage specifieke capaciteit en slechte geleidbaarheid. Afhankelijk van hun verschillende structuren kunnen ze worden ingedeeld in olivijn-gestructureerde fosfaten, NASCICON (Na+ fast ion conductor)-verbindingen en fosfaatverbindingen.
De bereidingsmethode van olivijn-gestructureerd NaFePO4 als kathodemateriaal voor natriumionbatterijen is vergelijkbaar met die van lithiumijzerfosfaat. De theoretische capaciteit is 154 mAh/g en de werkspanning is 2,9 V. De eigen elektrische geleidbaarheid is echter relatief laag en het materiaal heeft slechts eendimensionale Na+-diffusiekanalen, wat de werkelijke prestaties beïnvloedt. Momenteel wordt de elektrische geleidbaarheid verbeterd door middel van koolstofcoating of ionensubstitutie. Nascicon-gestructureerde verbindingen zijn snelle ionische geleiders met een theoretische specifieke capaciteit van ongeveer 120 mAh/g en een werkspanning van ongeveer 3,3 V. Ze kenmerken zich door een 3D-frameworkstructuur, een hoge ionendiffusiesnelheid en een goede kinetische en cyclische stabiliteit. Wanneer echter de pentavalente V wordt toegevoegd, is deze vaak giftig en vormt een grote bedreiging voor de menselijke gezondheid, wat het grootschalige gebruik ervan tot op zekere hoogte beperkt.
Kristalstructuren van verschillende polyanionische kathodematerialen
