I. Tổng quan về Pin Natri-Ion
Pin natri-ion là loại pin hoàn tất quá trình sạc và xả bằng cách dựa vào chuyển động của các ion natri giữa các điện cực dương và âm, với nguyên lý hoạt động tương tự như pin lithium-ion. Pin natri-ion chủ yếu bao gồm một điện cực dương, một điện cực âm,MỘT chất điện phân, Mộtbộ tách, và một bộ thu dòng điện. Trong quá trình sạc, Na⁺ được chiết xuất từ điện cực dương, đi qua bộ tách và nhúng vào điện cực âm để kết hợp với các electron. Trong quá trình xả, Na⁺ được chiết xuất từ điện cực âm, đi qua bộ tách và nhúng vào điện cực dương, trong khi các electron được truyền từ điện cực âm sang điện cực dương thông qua một mạch ngoài. Cuối cùng, phản ứng oxy hóa khử xảy ra ở điện cực dương để khôi phục trạng thái giàu natri.
Sơ đồ sạc và xả của pin natri-ion
II. Ba tuyến đường kỹ thuật
So với pin lithium-ion, sự thay đổi đáng kể nhất trong pin natri-ion nằm ở vật liệu catốt, hiệu suất của nó cũng là yếu tố chính quyết định mật độ năng lượng, độ an toàn và tuổi thọ chu kỳ của pin. Các ion natri có khối lượng và bán kính lớn hơn các ion lithium, dẫn đến tốc độ khuếch tán ion thấp hơn. Điều này được phản ánh trong công suất lý thuyết và động học phản ứng kém hơn một chút trong hiệu suất pin, đòi hỏi phải có những đột phá trong vật liệu catốt để giải quyết những vấn đề này. Hiện tại, lộ trình kỹ thuật cho vật liệu catốt vẫn chưa được xác định, nhưng các oxit phân lớp, Xanh Phổ tương tự, Và hợp chất polyanion làba tuyến đường đầy hứa hẹn dự kiến sẽ nổi bật.
TÔIII. Oxit phân lớp
Công thức chung cho oxit lớp là NaxMO2, trong đó M chỉ các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, chẳng hạn như vanadi (V), crom (Cr), mangan (Mn), sắt (Fe), coban (Co), niken (Ni), đồng (Cu), v.v. Trong số đó, mangan (Mn) và sắt (Fe), có nhiều trong tài nguyên, là phổ biến nhất. Oxit kim loại chuyển tiếp có thể được phân loại thành hai loại: lớp và đường hầm. Khi hàm lượng natri thấp (x <0,5), cấu trúc đường hầm chủ yếu có mặt. Khi hàm lượng natri tương đối cao, nó thường bị chi phối bởi cấu trúc lớp, với Na+ nằm giữa các lớp, tạo thành cấu trúc lớp trong đó các lớp MO2 và lớp natri được sắp xếp xen kẽ.
Iv. Tương tự màu xanh Phổ
Công thức chung cho các chất tương tự màu xanh Phổ là NaxMA[MB(CN)6]·zH2O. MA và MB đại diện cho các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, chủ yếu là sắt (Fe), coban (Co), niken (Ni), mangan (Mn), v.v. Do có khung mở độc đáo và cấu trúc macroporous ba chiều của các hợp chất màu xanh Phổ, chúng thích hợp cho quá trình di chuyển và lưu trữ các ion natri. Về mặt lợi thế, các hợp chất gốc sắtXanh Phổ và xanh Phổ gốc mangan có ưu điểm là nguyên liệu thô dồi dào, chi phí thấp, dung lượng riêng cao, hiệu suất tốc độ cao và độ ổn định điện hóa tuyệt vời. Về nhược điểm, vì các phương pháp sản xuất hiện tại chủ yếu áp dụng phương pháp đồng kết tủa nên thường tạo ra nhiều nước tinh thể và khuyết tật cấu trúc Fe(CN)6. Nước tinh thể có xu hướng chiếm các vị trí lưu trữ natri và các kênh khử xen kẽ ion natri trong tinh thể, dẫn đến giảm hàm lượng ion natri trong vật liệu và giảm tốc độ di chuyển của ion natri. Các khuyết tật cấu trúc và nước tinh thể của Fe(CN)6 có thể gây ra sự sụp đổ cấu trúc trong quá trình sạc và xả của vật liệu, ảnh hưởng đến hiệu suất tuần hoàn của vật liệu.
Các quy trình sản xuất hợp chất xanh Phổ chủ yếu bao gồm đồng kết tủa và tổng hợp thủy nhiệt. Trong số đó, đồng kết tủa là phương pháp phổ biến nhất, có ưu điểm là quy trình chuẩn bị đơn giản, không cần xử lý nhiệt độ cao và dễ dàng thu được sản phẩm pha tinh khiết. Tuy nhiên, hiện nay, phương pháp đồng kết tủa vẫn còn hai vấn đề. Một là thời gian chuẩn bị lâu; Thứ hai là sản lượng thấp. Phương pháp tổng hợp thủy nhiệt có nhiều điểm tương đồng với phương pháp đồng kết tủa. Nó có ưu điểm là thời gian phản ứng ngắn và phân bố đồng đều các hạt vật liệu. Tuy nhiên, hiện nay, phương pháp tổng hợp thủy nhiệt có ba nhược điểm. Thứ nhất, quá trình phản ứng diễn ra trong một hệ thống kín và không thể quan sát trực tiếp quá trình phản ứng. Thứ hai, có các bước nhiệt độ cao và áp suất cao, yêu cầu cao về thiết bị sản xuất. Thứ ba, quy trình này cồng kềnh và không phù hợp với sản xuất công nghiệp.
V. Hợp chất đa anion
Công thức chung của hợp chất polyanionic là NaxMy[(XOm)n-]z, trong đó M là ion kim loại có trạng thái hóa trị thay đổi và X là các nguyên tố như P, S và V. Nó có ưu điểm là độ ổn định tốt, hiệu suất tuần hoàn và an toàn, nhưng có vấn đề về dung lượng riêng thấp và độ dẫn điện kém. Theo cấu trúc khác nhau của chúng, chúng có thể được phân loại thành phosphat có cấu trúc olivin, hợp chất NASCICON (chất dẫn ion nhanh Na+) và hợp chất phosphat.
Phương pháp chế tạo NaFePO4 có cấu trúc olivin làm vật liệu catốt cho pin ion natri tương tự như phương pháp chế tạo lithium sắt phosphate. Dung lượng lý thuyết của nó là 154mAh/g và điện áp làm việc là 2,9V. Tuy nhiên, độ dẫn điện riêng của nó tương đối thấp và nó chỉ có các kênh khuếch tán Na+ một chiều, ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế của nó. Hiện nay, độ dẫn điện được cải thiện thông qua lớp phủ carbon hoặc thay thế ion. Các hợp chất có cấu trúc Nascicon là chất dẫn ion nhanh với dung lượng riêng lý thuyết khoảng 120mAh/g và điện áp hoạt động khoảng 3,3V. Chúng có cấu trúc khung 3D, tốc độ khuếch tán ion cao và độ ổn định động học và chu kỳ tốt. Tuy nhiên, khi V hóa trị năm được đưa vào, nó thường độc hại và gây ra mối đe dọa lớn đối với sức khỏe con người, ở một mức độ nào đó hạn chế việc sử dụng nó trên quy mô lớn.
Cấu trúc tinh thể của nhiều vật liệu catốt polyanion khác nhau
