Principi di base e composizione delle batterie agli ioni di sodio

Principi di base e composizione delle batterie agli ioni di sodio

1. Panoramica di batterie agli ioni di sodio

In vari sistemi di accumulo dell'energia, le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate per i loro vantaggi quali elevata densità di energia e potenza, lunga durata, rispetto dell'ambiente e mancanza di effetto memoria. Dalla commercializzazione di successo delle batterie agli ioni di litio nel 1991, queste hanno svolto un ruolo di primo piano importante e insostituibile in molti settori importanti, come l’industria dell’elettronica di consumo, i veicoli a nuova energia, lo stoccaggio di energia su larga scala, ecc. le tecnologie e i processi delle batterie agli ioni di litio sono maturati e le batterie agli ioni di litio presentano vantaggi unici in vari campi, la bassa sicurezza, il basso ciclo di vita, la resistenza alle basse temperature e l'alto costo delle batterie agli ioni di litio non possono essere ignorati. Pertanto, è urgente sviluppare batterie a basso costo con elevata sicurezza, elevata affidabilità, resistenza al freddo e al calore come alternative alle batterie agli ioni di litio. Al contrario, le risorse di sodio sono il sesto elemento più abbondante nella crosta terrestre (circa 150 milioni di tonnellate, pari al 2,74% del totale degli elementi della crosta terrestre), e il sodio, come componente principale del sale marino, è ampiamente distribuito in l'oceano, con i vantaggi di una distribuzione ampia e uniforme, di una facile acquisizione e purificazione. Inoltre, il sodio è un elemento del primo gruppo principale come il litio, e le sue proprietà fisiche e chimiche come il raggio ionico e la massa atomica sono simili a quelle del litio (Tabella 1-1). Il sodio metallico ha una capacità specifica teorica relativamente elevata (1166 mAhgl) e un potenziale elettrochimico di -2,71 V (rispetto a un elettrodo a idrogeno standard). In sintesi, si prevede che le batterie agli ioni di sodio diventeranno un sostituto delle attuali batterie agli ioni di litio e lo sviluppo e la ricerca di batterie agli ioni di sodio efficienti hanno un importante significato strategico e un valore di applicazione commerciale.

2. Principi di base e composizione delle batterie agli ioni di sodio

1) Modalità di lavoro
Quando la batteria è carica, gli ioni sodio vengono rilasciati dal materiale dell'elettrodo positivo nell'elettrolita e gli ioni sodio liberi nell'elettrolita vengono incorporati nel materiale dell'elettrodo negativo; nel circuito esterno, gli elettroni migrano dall'elettrodo positivo all'elettrodo negativo. Quando la batteria è scarica, gli ioni sodio vengono rilasciati dall'elettrodo negativo e reintegrati nel materiale dell'elettrodo positivo; gli elettroni del circuito esterno fluiscono dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo sotto il campo potenziale.

2) Composizione
Elettrodo positivo
Essendo un componente importante delle batterie agli ioni di sodio, il materiale dell'elettrodo positivo fornisce ioni di sodio durante il primo ciclo di carica e scarica. Inoltre, la stabilità strutturale del materiale dell'elettrodo positivo è in gran parte correlata alla stabilità del ciclo della batteria agli ioni di sodio. In un materiale ideale per un elettrodo positivo, la contrazione e l'espansione del volume causate dall'estrazione e dall'inserimento di ioni sodio possono causare distorsioni e danni trascurabili alla struttura cristallina e possono migliorare efficacemente le prestazioni elettrochimiche. In generale, i materiali polimerici organici con strutture ottaedriche e i materiali di ossido stratificato con strutture bidimensionali possono legare efficacemente gli ioni sodio negli ottaedri e sono materiali per elettrodi positivi ideali per immagazzinare ioni sodio.
L'energia legante del litio e del sodio è diversa. Nella stessa struttura, la tensione di incorporamento degli ioni di sodio è significativamente inferiore a quella degli ioni di litio (0,18-0,57 V). Rispetto agli ioni di litio, gli ioni di sodio hanno massa e dimensioni maggiori, il che indica che anche la loro velocità di diffusione è significativamente inferiore. Per aumentare la velocità di diffusione degli ioni sodio nei materiali degli elettrodi, la nanodimensionizzazione del materiale degli elettrodi è un modo efficace.

Elettrodo negativo
In una batteria carica, il materiale dell'elettrodo negativo è altrettanto importante per la capacità, la velocità, la stabilità del ciclo e altre prestazioni della batteria. La capacità specifica teorica del catodo metallico di sodio (1166mAhg-1) è inferiore a quella del catodo metallico di litio e ha un potenziale di riduzione più elevato. È più probabile che il sodio metallico reagisca e si decomponga negli elettroliti organici, portando alla formazione di dendriti di sodio. Non solo, a causa del basso punto di fusione del sodio metallico (98°C), il sodio metallico è più facile da sciogliere e diffondere durante il processo di carica e scarica, il che mette a rischio la salute della batteria. Pertanto, le prospettive di applicazione delle batterie al sodio metallico sono scarse. Tuttavia, utilizzando gli ioni di sodio come sorgente ionica per l'incorporamento e il disincorporamento, i materiali degli elettrodi positivi e negativi possono essere incorporati e disincorporati come se fossero una "sedia a dondolo" per realizzare la carica e la scarica della batteria e il riciclaggio di ioni sodio. Una tale progettazione evita i pericoli associati alla bassa attività degli ioni sodio. Sfortunatamente, è difficile combinarli perfettamente con altri componenti del materiale della batteria per formare una batteria completa. Pertanto, la maggior parte degli studi ha studiato solo le proprietà elettrochimiche dei nuovi materiali degli elettrodi e delle semicelle metalliche di sodio.