I. Visão geral das baterias de íons de sódio
As baterias de íons de sódio são um tipo de bateria que realiza a carga e a descarga com base no movimento dos íons de sódio entre os eletrodos positivo e negativo, com um princípio de funcionamento semelhante ao das baterias de íons de lítio. Uma bateria de íons de sódio é composta principalmente por um eletrodo positivo, um eletrodo negativo eum eletrólito, umseparadore um coletor de corrente. Durante a carga, o Na⁺ é extraído do eletrodo positivo, passa pelo separador e se incorpora ao eletrodo negativo para se combinar com os elétrons. Durante a descarga, o Na⁺ é extraído do eletrodo negativo, passa pelo separador e se incorpora ao eletrodo positivo, enquanto os elétrons são transferidos do eletrodo negativo para o positivo através de um circuito externo. Finalmente, ocorre uma reação redox no eletrodo positivo para restaurar o estado rico em sódio.
Diagrama esquemático de carga e descarga de baterias de íons de sódio
II. Três Rotas Técnicas
Em comparação com as baterias de íons de lítio, a mudança mais significativa nas baterias de íons de sódio reside nos materiais do cátodo, cujo desempenho também é um fator-chave na determinação da densidade energética, segurança e ciclo de vida da bateria. Os íons de sódio têm massa e raio maiores do que os íons de lítio, resultando em taxas de difusão iônica mais baixas. Isso se reflete em uma capacidade teórica e cinética de reação ligeiramente inferiores no desempenho da bateria, o que exige avanços nos materiais do cátodo para resolver esses problemas. Atualmente, a rota técnica para os materiais do cátodo ainda não foi determinada, mas óxidos em camadas, Azul da Prússia análogos, e compostos polianiônicos sãotrês rotas promissoras que devem se destacar.
EUIIÓxidos em camadas
A fórmula geral para óxidos em camadas é NaxMO2, onde M se refere a elementos de metais de transição, como vanádio (V), crômio (Cr), manganês (Mn), ferro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), cobre (Cu), etc. Entre eles, manganês (Mn) e ferro (Fe), que são abundantes em recursos, são os mais comuns. Os óxidos de metais de transição podem ser classificados em dois tipos: em camadas e em túnel. Quando o teor de sódio é baixo (x < 0,5), a estrutura de túnel está predominantemente presente. Quando o teor de sódio é relativamente alto, geralmente é dominado por uma estrutura em camadas, com Na+ localizado entre as camadas, formando uma estrutura em camadas na qual as camadas de MO2 e as camadas de sódio são dispostas alternadamente.
Iv. Análogos do Azul da Prússia
A fórmula geral dos análogos do azul da Prússia é NaxMA[MB(CN)6]·zH2O. MA e MB representam elementos de metais de transição, principalmente ferro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), manganês (Mn), etc. Devido à estrutura aberta única e à estrutura macroporosa tridimensional dos compostos do azul da Prússia, eles são adequados para a migração e armazenamento de íons de sódio. Em termos de vantagens, os compostos à base de ferroAzul da Prússia e o azul da Prússia à base de manganês apresentam as vantagens de matéria-prima abundante, baixo custo, alta capacidade específica, alto desempenho e excelente estabilidade eletroquímica. Em termos de desvantagens, como os métodos de produção atuais adotam principalmente o método de coprecipitação, muitos defeitos estruturais de água cristalina e Fe(CN)6 são frequentemente produzidos. A água cristalina tende a ocupar os locais de armazenamento de sódio e os canais de desintercalação de íons de sódio no cristal, resultando em uma diminuição no teor de íons de sódio no material e uma redução na taxa de migração de íons de sódio. Defeitos estruturais e água cristalina de Fe(CN)6 podem causar colapso estrutural durante o processo de carga e descarga do material, afetando o desempenho do ciclo do material.
Os processos de produção de compostos azuis da Prússia incluem principalmente coprecipitação e síntese hidrotérmica. Entre eles, a coprecipitação é o método mais comum, que tem as vantagens do processo de preparação simples, sem necessidade de tratamento de alta temperatura e fácil obtenção de produtos de fase pura. No entanto, atualmente, o método de coprecipitação ainda tem dois problemas. Um é o longo tempo de preparação; O segundo é o baixo rendimento. O método de síntese hidrotérmica compartilha muitas semelhanças com o método de coprecipitação. Ele tem as vantagens do curto tempo de reação e distribuição uniforme das partículas do material. No entanto, atualmente, o método de síntese hidrotérmica tem três desvantagens. Primeiro, o processo de reação ocorre em um sistema fechado, e o processo de reação não pode ser observado diretamente. Segundo, existem etapas de alta temperatura e alta pressão, que têm altos requisitos para o equipamento de produção. Terceiro, o processo é pesado e não é adequado para a produção industrial.
V. Compostos polianiônicos
A fórmula geral dos compostos polianiônicos é NaxMy[(XOm)n-]z, onde M é um íon metálico com estado de valência variável e X são elementos como P, S e V. Apresenta as vantagens de boa estabilidade, desempenho cíclico e segurança, mas apresenta problemas de baixa capacidade específica e baixa condutividade. De acordo com suas diferentes estruturas, podem ser classificados em fosfatos com estrutura de olivina, compostos NASCICON (condutores rápidos de íons Na+) e compostos de fosfato.
O método de preparação do NaFePO4 estruturado em olivina como material catódico para baterias de íons de sódio é semelhante ao do fosfato de ferro e lítio. Sua capacidade teórica é de 154 mAh/g e a tensão de trabalho é de 2,9 V. No entanto, sua própria condutividade elétrica é relativamente baixa e possui apenas canais de difusão de Na+ unidimensionais, o que afeta seu desempenho real. Atualmente, a condutividade elétrica é melhorada por meio de revestimento de carbono ou substituição iônica. Os compostos estruturados em nascicon são condutores iônicos rápidos com uma capacidade específica teórica de aproximadamente 120 mAh/g e uma tensão de operação de cerca de 3,3 V. Eles apresentam uma estrutura de estrutura tridimensional, uma alta taxa de difusão iônica e boa estabilidade cinética e cíclica. No entanto, quando o V pentavalente é introduzido, ele frequentemente é tóxico e representa uma grande ameaça à saúde humana, o que, em certa medida, limita seu uso em larga escala.
Estruturas cristalinas de vários materiais catódicos polianiônicos
