Als Marktnachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wächst weiter, Probleme wie Lithium -Ressourcenknappheit und steigende Preise sind allmählich entstanden.
Lithium und Natrium, Beide Alkali -Metalle in der Gruppe IA der Periodenschaftstabelle, teilen ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften, theoretisch sie als Metallionenträger in Sekundärbatterien geeignet machen. Natrium-Ionen-Batterie (Licht) Teilen Sie ähnliche Energiespeichermechanismen wie Lithium-Ionen-Batterie, mit akzeptablen spezifischen Kapazitäten und Potenzialen aufweisen. daher, SIBs gelten als praktikable Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien und sind zu einem wichtigen Schwerpunkt von Forschung und Entwicklung geworden.
Grundstruktur der Natriumionenbatterie
Die Struktur der Natrium-Ionen-Batterie ist im Wesentlichen die gleiche wie die von Lithium-Ionen-Batterie, bestehend hauptsächlich aus positiver Elektrode, Negative Elektrode, Elektrolyt, Separator, und aktueller Sammler.
Basierend darauf, ob die Komponenten einer Natrium-Ionen-Batterie direkt an der elektrochemischen Reaktion teilnehmen, Sie können in aktive und inaktive Materialien unterteilt werden. Aktive Materialien umfassen das positive Elektrodenmaterial, das negative Elektrodenmaterial, und das Elektrolytmaterial. Inaktive Materialien umfassen den Separator, der aktuelle Sammler, leitender Agent, und Binder.
Die Struktur und Eigenschaften der positive und negative Elektrodenmaterialien Bestimmen Sie in einer Natrium-Ionen-Batterie die Natriumspeicherleistung der gesamten Batterie. Der Elektrolyt Wirkt als Medium für den Ionenfluss zwischen den positiven und negativen Elektroden, Ermöglichen, dass sich Natriumionen zwischen den Elektroden bewegen und gleichzeitig den direkten Elektronenfluss verhindert. Der Separator trennt die positiven und negativen Elektroden, Verhindern von Kurzstrecken bei gleichzeitiger Ionentransport. Der Stromabnehmer Sammelt und überträgt Elektronen.
Natrium -Ionen -Batterie -Arbeitsprinzip
Natrium-Ionen-Batterie teilen nicht nur eine ähnliche Struktur wie die Lithium-Ionen-Batterie, aber auch nach im Wesentlichen den gleichen Prinzipien arbeiten. Beide arbeiten von Ionen, die eingeführt und aus den positiven und negativen Elektroden der Batterie entfernt werden und entfernt werden.
Das Arbeitsprinzip der Natrium-Ionen-Batterie besteht darin, dass sich Natriumionen durch den Elektrolyten reversibel zwischen den positiven und negativen Elektroden bewegen, Begleitet von dem Elektronenfluss durch einen externen Stromkreis. Dieser Prozess kann in zwei Phasen unterteilt werden: Ladung und Entlassung.
Aufladen
Wenn eine Natrium-Ionen-Batterie aufgeladen wird, Die positive Elektrode wirkt als Anode (wo eine Oxidationsreaktion auftritt), und die negative Elektrode wirkt als Kathode (wobei eine Reduktionsreaktion auftritt).
Während dieses Prozesses, Eine externe Stromquelle wendet eine Spannung an, Natriumionen fahren (Na⁺) von der positiven Elektrode über den Elektrolyten bis zur negativen Elektrode. Die Elektronen fließen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode über eine externe Schaltung. Das negative Elektrodenmaterial akzeptiert Natriumionen aus der positiven Elektrode und der Elektronen aus dem externen Schaltkreis. Die Natriumionen sind in die Struktur der negativen Elektrode eingebettet, und Elektronen betreten die negative Elektrode durch den externen Stromkreis, Aufrechterhaltung des Ladungsbetrags.
Entlassung
Während der Entladung, Die negative Elektrode der Natrium-Ionen-Batterie wirkt als Anode (wo eine Oxidationsreaktion auftritt), und die positive Elektrode wirkt als Kathode (wobei eine Reduktionsreaktion auftritt).
Der Entladungsprozess der Natrium-Ionen-Batterie ist die Rückseite des Ladungsprozesses. Natriumatome, die im negativen Elektrodenmaterial gespeichert sind, verlieren Elektronen, Natriumionen bilden (Na⁺). Diese Natriumionen bewegen sich durch den Elektrolyten von der negativen Elektrode zurück zur positiven Elektrode. Die Elektronen fließen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode durch einen externen Schaltkreis, Stromverbraucher Geräte. Natriumionen treten durch den Elektrolyten in die Kristallstruktur der positiven Elektrode ein, Während Elektronen die positive Elektrode durch den externen Stromkreis eingeben, Aufrechterhaltung des Ladungsbetrags.
Elektrochemischer Prozess
Die Bewegung von Natriumionen und Elektronen in Natrium-Ionen-Batterien basiert auf mehreren wichtigen elektrochemischen Prozessen:
Interkalation/Deinterkalation: In den meisten Natrium-Ionen-Batterien, Sowohl die Kathoden- als auch die Anodenmaterialien sind geschichtet oder porös, in der Lage, Natriumionen in ihren Kristallgitter reversibel zu lagern. Zum Beispiel, Harte Kohlenstoffanoden haben eine ungeordnete Struktur, die Natriumionen aufnimmt, während überschichtete Oxidkathen (wie nani₀.₅mn₀.₅o₂) Erlauben Sie Natriumionen, sich in und aus dem Zwischenschichtraum zu bewegen.
Redoxreaktionen: Übergangsmetalle (wie ni, Mn, und Fe) In der Kathode wird Oxidations- und Reduktionsreaktionen durchgeführt, um die Interkalation und Freisetzung von Natriumionen auszugleichen. Zum Beispiel, in Nafepo₄, Das Redoxpaar Fe²⁺/Fe³⁺ treibt die elektrochemischen Reaktionen an.
Ionentransport: Der Elektrolyt muss eine hohe ionische Leitfähigkeit aufweisen, um einen effizienten Natriumionentransport zu ermöglichen. Gemeinsame Elektrolyte sind Natriumhexafluorophosphat (NaPF₆) in organischen Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat gelöst (EC) und Propylencarbonat (PC). Festkörperelektrolyte, wie Natrium-β-Aluminiumoxid, werden auch für eine verbesserte Sicherheit untersucht.
Feste Elektrolyt -Interphase (SEI): Während des ersten Ladungszyklus, Ein dünner SEI -Film bildet sich auf der Anodenoberfläche aufgrund einer Elektrolyt -Zersetzung. Dieser Film passiviert die Anode, Verhinderung eines weiteren Elektrolytabbaues und gleichzeitig den Natriumionentransport ermöglichen. Aufgrund der größeren Größe von Na⁺ionen, Der SEI -Film in fester Elektrolyt -Interphase (Licht) ist weniger stabil als in Lithium-Ionen-Batterien, eine Herausforderung darstellen, das Leben zu radeln.
