ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับวัสดุโซเดียมไอออนแคโทด

I. ภาพรวมของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนเป็นแบตเตอรี่ประเภทหนึ่งที่ชาร์จและคายประจุให้เสร็จสมบูรณ์โดยอาศัยการเคลื่อนที่ของไอออนโซเดียมระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ โดยมีหลักการทำงานคล้ายกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แบตเตอรี่โซเดียมไอออนประกอบด้วยขั้วบวก ขั้วลบหนึ่ง อิเล็กโทรไลต์, เอตัวคั่นและตัวเก็บประจุกระแสไฟฟ้า ในระหว่างการชาร์จ นา⁺ จะถูกแยกออกจากขั้วบวก ผ่านตัวแยก และฝังตัวในขั้วลบเพื่อรวมเข้ากับอิเล็กตรอน ในระหว่างการคายประจุ นา⁺ จะถูกแยกออกจากขั้วลบ ผ่านตัวแยก และฝังตัวในขั้วบวก ในขณะที่อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจากขั้วลบไปยังขั้วบวกผ่านวงจรภายนอก ในที่สุด ปฏิกิริยารีดอกซ์จะเกิดขึ้นในขั้วบวกเพื่อคืนสถานะโซเดียมที่อุดมด้วย

แผนผังการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

ครั้งที่สอง. เส้นทางเทคนิค 3 สาย

เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนอยู่ที่วัสดุแคโทด ซึ่งประสิทธิภาพยังเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดความหนาแน่นของพลังงาน ความปลอดภัย และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ไอออนโซเดียมมีมวลและรัศมีมากกว่าไอออนลิเธียม ส่งผลให้มีอัตราการแพร่กระจายของไอออนที่ต่ำกว่า ซึ่งสะท้อนให้เห็นจากความสามารถเชิงทฤษฎีและจลนพลศาสตร์ปฏิกิริยาที่ต่ำกว่าเล็กน้อยในประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ซึ่งจำเป็นต้องมีการพัฒนาวัสดุแคโทดเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ปัจจุบัน เส้นทางทางเทคนิคสำหรับวัสดุแคโทดยังไม่ได้รับการกำหนด แต่ออกไซด์แบบเป็นชั้น- ปรัสเซียนบลู อะนาล็อก, และ สารประกอบโพลีแอนไอออนคือ3 เส้นทางที่มีแนวโน้มดีคาดว่าจะโดดเด่น

ฉันครั้งที่สอง. ออกไซด์แบบชั้น

สูตรทั่วไปสำหรับออกไซด์แบบมีชั้นคือ แนกซ์เอ็มโอ2 โดยที่ M หมายถึงธาตุโลหะทรานซิชัน เช่น วาเนเดียม (V) โครเมียม (ครี) แมงกานีส (เอ็มเอ็น) เหล็ก (เฟ) โคบอลต์ (โค) นิกเกิล (นิ) ทองแดง (ลูก้า) เป็นต้น แมงกานีส (เอ็มเอ็น) และเหล็ก (เฟ) ซึ่งมีอยู่มากมายเป็นองค์ประกอบที่พบได้บ่อยที่สุด ออกไซด์ของโลหะทรานซิชันสามารถจำแนกได้อีกเป็นสองประเภท ได้แก่ แบบมีชั้นและแบบอุโมงค์ เมื่อปริมาณโซเดียมต่ำ (x<0.5) จะมีโครงสร้างแบบอุโมงค์เป็นส่วนใหญ่ เมื่อปริมาณโซเดียมค่อนข้างสูง โครงสร้างแบบมีชั้นมักมี Na+ อยู่ระหว่างชั้นต่างๆ ทำให้เกิดโครงสร้างแบบมีชั้น โดยที่ชั้น MO2 และชั้นโซเดียมเรียงสลับกัน

iv. สี่. อะนาล็อกของปรัสเซียนบลู

สูตรทั่วไปสำหรับสารประกอบปรัสเซียนบลูคือ แน็กซ์เอ็มเอ[เอ็มบี(ซีเอ็น)6]·zH2O เอ็มเอ และ เอ็มบี แสดงถึงธาตุโลหะทรานสิชั่น โดยหลักๆ คือ เหล็ก (เฟ) โคบอลต์ (โค) นิกเกิล (นิ) แมงกานีส (เอ็มเอ็น) เป็นต้น เนื่องจากโครงสร้างเปิดที่เป็นเอกลักษณ์และโครงสร้างรูพรุนขนาดใหญ่สามมิติของสารประกอบปรัสเซียนบลู จึงเหมาะสำหรับการเคลื่อนย้ายและการเก็บไอออนโซเดียม ในแง่ของข้อดี สารประกอบปรัสเซียนบลูที่ใช้เหล็กเป็นฐานปรัสเซียนบลู และปรัสเซียนบลูที่มีส่วนประกอบเป็นแมงกานีสมีข้อดีคือมีวัตถุดิบจำนวนมาก ต้นทุนต่ำ ความจุจำเพาะสูง ประสิทธิภาพอัตราสูง และเสถียรภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม ในแง่ของข้อเสีย เนื่องจากวิธีการผลิตในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้การตกตะกอนร่วมกัน จึงมักเกิดข้อบกพร่องทางโครงสร้างของน้ำผลึกและ เฟ(ซีเอ็น)6 จำนวนมาก น้ำผลึกมีแนวโน้มที่จะครอบครองไซต์กักเก็บโซเดียมและช่องแยกไอออนโซเดียมในผลึก ส่งผลให้ปริมาณไอออนโซเดียมในวัสดุลดลงและอัตราการเคลื่อนที่ของไอออนโซเดียมลดลง ข้อบกพร่องทางโครงสร้างและน้ำผลึกของ เฟ(ซีเอ็น)6 อาจทำให้โครงสร้างพังทลายในระหว่างกระบวนการชาร์จและการปล่อยของวัสดุ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการหมุนเวียนของวัสดุ

กระบวนการผลิตสารประกอบปรัสเซียนบลูส่วนใหญ่ประกอบด้วยการตกตะกอนร่วมและการสังเคราะห์ด้วยความร้อนใต้พิภพ ในบรรดานั้น การตกตะกอนร่วมเป็นวิธีที่พบมากที่สุด ซึ่งมีข้อดีคือกระบวนการเตรียมที่เรียบง่าย ไม่จำเป็นต้องมีการบำบัดด้วยอุณหภูมิสูง และรับผลิตภัณฑ์เฟสบริสุทธิ์ได้ง่าย อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน วิธีการตกตะกอนร่วมยังคงมีปัญหาอยู่สองประการ ประการหนึ่งคือเวลาในการเตรียมที่ยาวนาน ประการที่สองคือผลผลิตต่ำ วิธีการสังเคราะห์ด้วยความร้อนใต้พิภพมีความคล้ายคลึงกับวิธีการตกตะกอนร่วมหลายประการ โดยมีข้อดีคือเวลาในการทำปฏิกิริยาสั้นและการกระจายตัวของอนุภาควัสดุที่สม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน วิธีการสังเคราะห์ด้วยความร้อนใต้พิภพมีข้อเสียสามประการ ประการแรก กระบวนการปฏิกิริยาเกิดขึ้นในระบบปิด และไม่สามารถสังเกตกระบวนการปฏิกิริยาได้โดยตรง ประการที่สอง มีขั้นตอนอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง ซึ่งมีความต้องการสูงสำหรับอุปกรณ์การผลิต ประการที่สาม กระบวนการนี้ยุ่งยากและไม่เหมาะสำหรับการผลิตในอุตสาหกรรม

V. สารประกอบโพลีแอนไอออนิก

สูตรทั่วไปของสารประกอบโพลีแอนไอโอนิกคือ แน็กซ์มาย[(เอ็กโอม)n-]z โดยที่ M คือไอออนโลหะที่มีสถานะวาเลนซ์แปรผัน และ X คือธาตุต่างๆ เช่น P, S และ V สารประกอบโพลีแอนไอโอนิกมีข้อดีคือมีเสถียรภาพดี ประสิทธิภาพการหมุนเวียน และความปลอดภัย แต่มีปัญหาเรื่องความจุจำเพาะต่ำและสภาพนำไฟฟ้าไม่ดี เมื่อพิจารณาจากโครงสร้างที่แตกต่างกัน สารประกอบโพลีแอนไอโอนิกสามารถจำแนกได้เป็นฟอสเฟตที่มีโครงสร้างโอลิวีน สารประกอบ นาสซิคอน (ตัวนำไอออนเร็ว นา+) และสารประกอบฟอสเฟต

วิธีการเตรียม นาเฟอพอลิเมอร์ ที่มีโครงสร้างโอลิวีนเพื่อใช้เป็นวัสดุแคโทดสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนนั้นคล้ายคลึงกับลิเธียมเหล็กฟอสเฟต โดยมีความจุทางทฤษฎีอยู่ที่ 154mAh/g และแรงดันไฟฟ้าในการทำงานอยู่ที่ 2.9V อย่างไรก็ตาม การนำไฟฟ้าของ นาเฟอพอลิเมอร์ เองนั้นค่อนข้างต่ำและมีช่องแพร่กระจาย นา+ แบบมิติเดียวเท่านั้น ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานจริง ปัจจุบัน การนำไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงโดยการเคลือบคาร์บอนหรือการแทนที่ไอออน สารประกอบที่มีโครงสร้าง นาสซิคอน เป็นตัวนำไอออนแบบเร็วที่มีความจุเฉพาะทางทฤษฎีประมาณ 120mAh/g และแรงดันไฟฟ้าในการทำงานประมาณ 3.3V สารประกอบเหล่านี้มีโครงสร้างกรอบ 3 มิติ อัตราการแพร่กระจายไอออนสูง และเสถียรภาพจลนศาสตร์และการหมุนเวียนที่ดี อย่างไรก็ตาม เมื่อมีการนำ V แบบห้าวาเลนต์เข้ามา มักจะเป็นพิษและเป็นภัยคุกคามต่อสุขภาพของมนุษย์อย่างมาก ซึ่งในระดับหนึ่งก็จำกัดการใช้งานในวงกว้าง

โครงสร้างผลึกของวัสดุแคโทดโพลีแอนไอโอนิกชนิดต่างๆ