Como demanda de mercado por baterias de íon de lítio continua a crescer, Problemas como a escassez de recursos de lítio e os preços crescentes emergiram gradualmente.
Lítio e sódio, ambos os metais alcalinos no grupo IA da tabela periódica, compartilhar propriedades físicas e químicas semelhantes, Teoricamente, tornando -os adequados como portadores de íons metálicos em baterias secundárias. Bateria de íons de sódio (Luz) Compartilhe mecanismos de armazenamento de energia semelhantes que a bateria de íons de lítio, com capacidades e potenciais específicos aceitáveis. Portanto, Os SIBs são considerados uma alternativa viável às baterias de íons de lítio e se tornaram um foco fundamental de pesquisa e desenvolvimento.
Estrutura básica da bateria de íons de sódio
A estrutura da bateria de íons de sódio é essencialmente a mesma da bateria de íons de lítio, consistindo principalmente de eletrodo positivo, eletrodo negativo, eletrólito, separador, e colecionador atual.
Com base em se os componentes de uma bateria de íons de sódio participam diretamente da reação eletroquímica, Eles podem ser divididos em materiais ativos e inativos. Os materiais ativos incluem o material positivo do eletrodo, o material do eletrodo negativo, e o material eletrólito. Os materiais inativos incluem o separador, o colecionador atual, Agente condutor, e fichário.
A estrutura e as propriedades do Materiais de eletrodo positivo e negativo Em uma bateria de íons de sódio, determine o desempenho de armazenamento de sódio de toda a bateria. O eletrólito atua como um meio para o fluxo de íons entre os eletrodos positivos e negativos, permitindo que os íons de sódio se movam entre os eletrodos enquanto impedem o fluxo direto de elétrons. O separador separa os eletrodos positivos e negativos, prevenção de curtos circuitos enquanto permite o transporte de íons. O Coletor atual coleta e transmite elétrons.
Princípio de trabalho da bateria de íons de sódio
Bateria de íons de sódio não apenas compartilham uma estrutura semelhante à bateria de íons de lítio, mas também operam essencialmente os mesmos princípios. Ambos trabalham por íons sendo inseridos e removidos dos eletrodos positivos e negativos da bateria.
O princípio de trabalho da bateria de íons de sódio é que os íons de sódio se movem reversivelmente entre os eletrodos positivos e negativos através do eletrólito, acompanhado pelo fluxo de elétrons através de um circuito externo. Este processo pode ser dividido em duas fases: cobrança e descarga.
Carregando
Quando a bateria de íons de sódio é carregada, O eletrodo positivo atua como o ânodo (onde ocorre uma reação de oxidação), e o eletrodo negativo atua como o cátodo (onde ocorre uma reação de redução).
Durante esse processo, Uma fonte de energia externa aplica uma tensão, dirigindo íons de sódio (Na⁺) Do eletrodo positivo através do eletrólito para o eletrodo negativo. Os elétrons fluem do eletrodo positivo para o eletrodo negativo através de um circuito externo. O material do eletrodo negativo aceita íons de sódio do eletrodo e dos elétrons positivos do circuito externo. Os íons de sódio estão incorporados na estrutura do eletrodo negativo, e elétrons entram no eletrodo negativo através do circuito externo, Mantendo o saldo da carga.
Descarregamento
Durante a alta, O eletrodo negativo da bateria de íons de sódio atua como o ânodo (onde ocorre uma reação de oxidação), e o eletrodo positivo atua como o cátodo (onde ocorre uma reação de redução).
O processo de descarga da bateria de íons de sódio é o inverso do processo de carregamento. Átomos de sódio armazenados no material do eletrodo negativo perdem elétrons, formando íons de sódio (Na⁺). Esses íons de sódio se movem do eletrodo negativo de volta ao eletrodo positivo através do eletrólito. Os elétrons fluem do eletrodo negativo para o eletrodo positivo através de um circuito externo, Powering Dispositivos conectados. Os íons de sódio entram na estrutura cristalina do eletrodo positivo através do eletrólito, enquanto os elétrons entram no eletrodo positivo através do circuito externo, Mantendo o saldo da carga.
Processo eletroquímico
O movimento de íons de sódio e elétrons em baterias de íons de sódio depende de vários processos eletroquímicos-chave:
Intercalação/deintercalação: Na maioria das baterias de íons de sódio, Os materiais de cátodo e ânodo estão em camadas ou porosos, capaz de armazenar reversivelmente íons de sódio em suas treliças de cristal. Por exemplo, Anodos de carbono duro têm uma estrutura desordenada que acomoda íons de sódio, Enquanto óxido em camadas catodas (como nani₀.₅mn₀.₅o₂) Permita.
Reações redox: Metais de transição (como ni, Mn, e Fe) No cátodo sofre reações de oxidação e redução para equilibrar a intercalação e liberação de íons de sódio. Por exemplo, em Nafepo₄, O casal redox de fe²⁺/fe³⁺ conduz as reações eletroquímicas.
Transporte de íons: O eletrólito deve ter alta condutividade iônica para permitir o transporte eficiente de íons de sódio. Os eletrólitos comuns incluem hexafluorofosfato de sódio (Tigela) dissolvido em solventes orgânicos, como carbonato de etileno (EC) e carbonato de propileno (PC). Eletrólitos de estado sólido, como β-alumina de sódio, também estão sendo explorados para melhorar a segurança.
Interfase de eletrólito sólido (SER): Durante o primeiro ciclo de carga, Um filme fino sei se forma na superfície do ânodo devido à decomposição de eletrólitos. Este filme passiva o ânodo, Prevenção de mais degradação eletrolítica enquanto permite o transporte de íons de sódio. Devido ao tamanho maior dos íons Na⁺, o filme SEI em sólido eletrólito interfase (Luz) é menos estável do que em baterias de íons de lítio, Posando um desafio para a vida de bicicleta.
