Grundprinzipien und Zusammensetzung von Natrium-Ionen-Batterien

Grundprinzipien und Zusammensetzung von Natrium-Ionen-Batterien

1. Überblick über Natrium-Ionen-Batterien

In verschiedenen Energiespeichersystemen werden Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Energie- und Leistungsdichte, langer Lebensdauer, Umweltfreundlichkeit und fehlendem Memory-Effekt häufig eingesetzt. Seit der erfolgreichen Kommerzialisierung von Lithium-Ionen-Batterien im Jahr 1991 spielen sie in vielen wichtigen Bereichen wie der Unterhaltungselektronikindustrie, Fahrzeugen mit neuer Energie, Energiespeicherung in großem Maßstab usw. eine wichtige und unersetzliche Führungsrolle Technologien und Prozesse von Lithium-Ionen-Batterien sind ausgereift und Lithium-Ionen-Batterien bieten in verschiedenen Bereichen einzigartige Vorteile. Die geringe Sicherheit, die geringe Zyklenlebensdauer, die niedrige Temperaturbeständigkeit und die hohen Kosten von Lithium-Ionen-Batterien können nicht ignoriert werden. Daher ist es dringend erforderlich, kostengünstige Batterien mit hoher Sicherheit, hoher Zuverlässigkeit sowie Kälte- und Hitzebeständigkeit als Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Im Gegensatz dazu sind Natriumvorkommen das sechsthäufigste Element in der Erdkruste (etwa 150 Millionen Tonnen, was 2,74 % aller Elemente in der Erdkruste ausmacht), und Natrium ist als Hauptbestandteil von Meersalz weit verbreitet das Meer, mit den Vorteilen einer breiten und gleichmäßigen Verteilung, einfacher Gewinnung und Reinigung. Darüber hinaus ist Natrium wie Lithium ein Element der ersten Hauptgruppe und seine physikalischen und chemischen Eigenschaften wie Ionenradius und Atommasse ähneln denen von Lithium (Tabelle 1-1). Metallisches Natrium hat eine relativ hohe theoretische spezifische Kapazität (1166 mAhgl) und ein elektrochemisches Potential von -2,71 V (relativ zu einer Standard-Wasserstoffelektrode). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Natrium-Ionen-Batterien voraussichtlich ein Ersatz für aktuelle Lithium-Ionen-Batterien werden werden, und die Entwicklung und Forschung effizienter Natrium-Ionen-Batterien hat eine wichtige strategische Bedeutung und einen kommerziellen Anwendungswert.

2. Grundprinzipien und Zusammensetzung von Natrium-Ionen-Batterien

1) Arbeitsmodus
Beim Laden der Batterie werden Natriumionen aus dem positiven Elektrodenmaterial in den Elektrolyten abgegeben und die freien Natriumionen im Elektrolyten werden in das negative Elektrodenmaterial eingebettet; Im äußeren Stromkreis wandern Elektronen von der positiven zur negativen Elektrode. Wenn die Batterie entladen wird, werden Natriumionen von der negativen Elektrode freigesetzt und wieder in das Material der positiven Elektrode eingebettet; Die Elektronen des externen Stromkreises fließen unter dem Potentialfeld von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode.

2) Zusammensetzung
Positive Elektrode
Als wichtiger Bestandteil von Natriumionenbatterien liefert das positive Elektrodenmaterial während des ersten Lade- und Entladezyklus Natriumionen. Darüber hinaus hängt die strukturelle Stabilität des positiven Elektrodenmaterials maßgeblich von der Zyklenstabilität der Natrium-Ionen-Batterie ab. In einem idealen positiven Elektrodenmaterial kann die durch die Extraktion und Einführung von Natriumionen verursachte Volumenschrumpfung und -ausdehnung zu vernachlässigbaren Verzerrungen und Schäden an der Kristallstruktur führen und die elektrochemische Leistung effektiv verbessern. Im Allgemeinen können organische Polymermaterialien mit oktaedrischer Struktur und geschichtete Oxidmaterialien mit zweidimensionaler Struktur Natriumionen effektiv in Oktaedern binden und sind ideale positive Elektrodenmaterialien zur Speicherung von Natriumionen.
Die Bindungsenergie von Lithium und Natrium ist unterschiedlich. In derselben Struktur ist die Einbettungsspannung von Natriumionen deutlich niedriger als die von Lithiumionen (0,18–0,57 V). Im Vergleich zu Lithiumionen haben Natriumionen eine größere Masse und Größe, was darauf hindeutet, dass auch ihre Diffusionsgeschwindigkeit deutlich geringer ist. Um die Diffusionsrate von Natriumionen in Elektrodenmaterialien zu erhöhen, ist die Nanoskalierung des Elektrodenmaterials ein wirksamer Weg.

Negative Elektrode
Bei einer vollen Batterie ist das Material der negativen Elektrode gleichermaßen wichtig für die Kapazität, Rate, Zyklenstabilität und andere Leistungen der Batterie. Die theoretische spezifische Kapazität der Natriummetallkathode (1166 mAhg-1) ist niedriger als die der Lithiummetallkathode und weist ein höheres Reduktionspotential auf. Metallisches Natrium reagiert und zersetzt sich eher in organischen Elektrolyten, was zur Bildung von Natriumdendriten führt. Darüber hinaus kann Natriummetall aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts von Natriummetall (98 °C) während des Lade- und Entladevorgangs leichter schmelzen und diffundieren, was die Gesundheit der Batterie gefährdet. Daher sind die Anwendungsaussichten von Natriummetallbatterien gering. Durch die Verwendung von Natriumionen als Ionenquelle zum Ein- und Ausbetten können die positiven und negativen Elektrodenmaterialien jedoch wie ein „Schaukelstuhl“ ein- und ausgebettet werden, um das Laden und Entladen der Batterie sowie das Recycling zu ermöglichen von Natriumionen erreicht werden. Ein solches Design vermeidet die Gefahren, die mit einer geringen Natriumionenaktivität verbunden sind. Leider ist es schwierig, es nahtlos mit anderen Komponenten des Batteriematerials zu einer vollständigen Batterie zu verbinden. Daher wurden in den meisten Studien nur die elektrochemischen Eigenschaften neuer Elektrodenmaterialien und metallischer Natriumhalbzellen untersucht.