Come domanda di mercato per batterie agli ioni di litio continua a crescere, Sono emersi problemi come la carenza di risorse al litio e l'aumento dei prezzi.
Litio e sodio, Entrambi i metalli alcali nel gruppo IA della tavola periodica, Condividi proprietà fisiche e chimiche simili, teoricamente rendendoli adatti come vettori di ioni metallici nelle batterie secondarie. Batteria agli ioni di sodio (Leggero) Condividi meccanismi di accumulo di energia simili come batteria agli ioni di litio, Con capacità e potenziali specifici accettabili. Perciò, I SIB sono considerati un'alternativa praticabile alle batterie agli ioni di litio e sono diventati un obiettivo chiave della ricerca e dello sviluppo.
Struttura di base della batteria a ioni di sodio
La struttura della batteria agli ioni di sodio è essenzialmente la stessa di quella della batteria agli ioni di litio, composto principalmente da elettrodo positivo, Elettrodo negativo, elettrolita, separatore, e collezionista attuale.
In base al fatto che i componenti di una batteria agli ioni di sodio partecipino direttamente alla reazione elettrochimica, Possono essere divisi in materiali attivi e inattivi. I materiali attivi includono il materiale dell'elettrodo positivo, il materiale dell'elettrodo negativo, e il materiale elettrolitico. I materiali inattivi includono il separatore, l'attuale collezionista, agente conduttivo, e legante.
La struttura e le proprietà del Materiali elettrodi positivi e negativi In una batteria agli ioni di sodio determinare le prestazioni di stoccaggio del sodio dell'intera batteria. IL elettrolita Agisce come mezzo per il flusso ionico tra gli elettrodi positivi e negativi, consentire agli ioni sodio di spostarsi tra gli elettrodi, impedendo al contempo il flusso diretto di elettroni. IL separatore separa gli elettrodi positivi e negativi, prevenire cortocircuiti consentendo al contempo il trasporto di ioni. IL Collezionista attuale Raccogli e trasmette elettroni.
Principio di lavoro della batteria a ioni di sodio
La batteria agli ioni di sodio non solo condivide una struttura simile alla batteria agli ioni di litio, ma opera anche sugli stessi principi. Entrambi lavorano con gli ioni che vengono inseriti e rimossi dagli elettrodi positivi e negativi della batteria.
Il principio di funzionamento della batteria agli ioni di sodio è che gli ioni di sodio si muovono in modo reversibile tra gli elettrodi positivi e negativi attraverso l'elettrolita, Accompagnato dal flusso di elettroni attraverso un circuito esterno. Questo processo può essere diviso in due fasi: Carica e scarica.
In carica
Quando viene caricata la batteria agli ioni di sodio, L'elettrodo positivo funge da anodo (dove si verifica una reazione di ossidazione), e l'elettrodo negativo funge da catodo (dove si verifica una reazione di riduzione).
Durante questo processo, Una fonte di alimentazione esterna applica una tensione, Guida ioni di sodio (Na⁺) dall'elettrodo positivo attraverso l'elettrolita all'elettrodo negativo. Gli elettroni fluiscono dall'elettrodo positivo all'elettrodo negativo tramite un circuito esterno. Il materiale dell'elettrodo negativo accetta ioni di sodio dall'elettrodo positivo e dagli elettroni dal circuito esterno. Gli ioni di sodio sono incorporati nella struttura dell'elettrodo negativo, e gli elettroni immettono l'elettrodo negativo attraverso il circuito esterno, Mantenimento del saldo della carica.
Scarico
Durante la dimissione, L'elettrodo negativo della batteria agli ioni di sodio funge da anodo (dove si verifica una reazione di ossidazione), e l'elettrodo positivo funge da catodo (dove si verifica una reazione di riduzione).
Il processo di scarico della batteria agli ioni di sodio è il contrario del processo di ricarica. Gli atomi di sodio immagazzinati nel materiale dell'elettrodo negativo perdono gli elettroni, formare ioni di sodio (Na⁺). Questi ioni di sodio passano dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo attraverso l'elettrolita. Gli elettroni fluiscono dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo attraverso un circuito esterno, Dispositivi connessi. Gli ioni di sodio entrano nella struttura cristallina dell'elettrodo positivo attraverso l'elettrolita, Mentre gli elettroni entrano nell'elettrodo positivo attraverso il circuito esterno, Mantenimento del saldo della carica.
Processo elettrochimico
Il movimento di ioni e elettroni di sodio nelle batterie agli ioni di sodio si basa su diversi processi elettrochimici chiave:
Intercalazione/deintercalazione: Nella maggior parte delle batterie agli ioni di sodio, Sia il catodo che i materiali anodi sono stratificati o porosi, capace di conservare reversibilmente ioni di sodio nei loro reticoli cristallini. Per esempio, Gli anodi di carbonio duro hanno una struttura disordinata che ospita ioni di sodio, mentre i catodi di ossido a strati (come nani₀.₅mn₀.₅o₂) Consenti agli ioni di sodio di spostarsi dentro e fuori dallo spazio interstrato.
Reazioni redox: Metalli di transizione (come ni, Mn, e Fe) Nel catodo subisce reazioni di ossidazione e riduzione per bilanciare l'intercalazione e il rilascio di ioni di sodio. Per esempio, in nafepo₄, La coppia redox Fe²⁺/Fe³⁺ guida le reazioni elettrochimiche.
Trasporto ionico: L'elettrolita deve avere una conducibilità ionica elevata per consentire un efficiente trasporto di ioni di sodio. Gli elettroliti comuni includono sodio esafluorofosfato (Ciotola) sciolto in solventi organici come carbonato di etilene (EC) e carbonato di propilene (PC). Elettroliti a stato solido, come il sodio β-allumina, vengono anche esplorati per una migliore sicurezza.
Elettrolita solido Interfase (ESSERE): Durante il primo ciclo di carica, Un film SEI sottile si forma sulla superficie dell'anodo a causa della decomposizione degli elettroliti. Questo film passiva l'anodo, prevenire l'ulteriore degrado degli elettroliti consentendo al contempo il trasporto di ioni di sodio. A causa delle dimensioni maggiori degli ioni Na⁺, Il film SEI nell'interfase elettrolita solido (Leggero) è meno stabile rispetto alle batterie agli ioni di litio, Posando una sfida per il ciclo della vita.
