I. Descripción general de las baterías de iones de sodio
Las baterías de iones de sodio son un tipo de batería que completa la carga y descarga mediante el movimiento de iones de sodio entre los electrodos positivo y negativo, con un principio de funcionamiento similar al de las baterías de iones de litio. Una batería de iones de sodio se compone principalmente de un electrodo positivo, un electrodo negativo,un electrólito, aseparadorDurante la carga, el Na⁺ se extrae del electrodo positivo, pasa por el separador y se integra en el electrodo negativo para combinarse con los electrones. Durante la descarga, el Na⁺ se extrae del electrodo negativo, pasa por el separador y se integra en el electrodo positivo, mientras que los electrones se transfieren del electrodo negativo al positivo a través de un circuito externo. Finalmente, se produce una reacción redox en el electrodo positivo para restaurar el estado rico en sodio.
Diagrama esquemático de carga y descarga de baterías de iones de sodio
II. Tres rutas técnicas
En comparación con las baterías de iones de litio, el cambio más significativo en las baterías de iones de sodio reside en los materiales del cátodo, cuyo rendimiento también es un factor clave que determina la densidad energética, la seguridad y la vida útil de la batería. Los iones de sodio tienen mayor masa y radio que los iones de litio, lo que resulta en tasas de difusión iónica más bajas. Esto se refleja en una capacidad teórica y una cinética de reacción ligeramente inferiores en el rendimiento de la batería, lo que requiere avances en los materiales del cátodo para abordar estos problemas. Actualmente, la ruta técnica para los materiales del cátodo aún no se ha determinado, pero los óxidos en capas..., azul de Prusia análogos, y Los compuestos de polianiones sonSe espera que se destaquen tres rutas prometedoras.
IIIÓxidos estratificados
La fórmula general para óxidos en capas es NaxMO2, donde M se refiere a elementos de metales de transición, como vanadio (V), cromo (Cr), manganeso (Mn), hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), cobre (Cu), etc. Entre ellos, el manganeso (Mn) y el hierro (Fe), que son abundantes en recursos, son los más comunes. Los óxidos de metales de transición se pueden clasificar en dos tipos: en capas y túnel. Cuando el contenido de sodio es bajo (x < 0,5), la estructura de túnel está presente principalmente. Cuando el contenido de sodio es relativamente alto, generalmente está dominado por una estructura en capas, con Na+ ubicado entre las capas, formando una estructura en capas en la que las capas de MO2 y las capas de sodio se disponen alternativamente.
Iv. Análogos del Azul de Prusia
La fórmula general de los análogos del azul de Prusia es NaxMA[MB(CN)6]·zH2O. MA y MB representan elementos metálicos de transición, principalmente hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), manganeso (Mn), etc. Gracias a su singular estructura abierta y a su estructura macroporosa tridimensional, los compuestos del azul de Prusia son adecuados para la migración y el almacenamiento de iones sodio. En cuanto a sus ventajas, los compuestos a base de hierro...azul de Prusia El azul de Prusia a base de manganeso ofrece las ventajas de la abundancia de materias primas, su bajo coste, su alta capacidad específica, su alto rendimiento y su excelente estabilidad electroquímica. En cuanto a las desventajas, dado que los métodos de producción actuales adoptan principalmente el método de coprecipitación, se suelen producir numerosos defectos estructurales de Fe(CN)6 y agua cristalina. El agua cristalina tiende a ocupar los sitios de almacenamiento de sodio y los canales de desintercalación de iones de sodio en el cristal, lo que resulta en una disminución del contenido de iones de sodio en el material y una reducción de la velocidad de migración de estos iones. Los defectos estructurales y la presencia de agua cristalina de Fe(CN)6 pueden provocar un colapso estructural durante el proceso de carga y descarga del material, lo que afecta a su rendimiento cíclico.
Los procesos de producción de compuestos de azul de Prusia incluyen principalmente la coprecipitación y la síntesis hidrotermal. Entre ellos, la coprecipitación es el método más común, que ofrece las ventajas de un proceso de preparación sencillo, no requiere tratamiento a alta temperatura y es fácil obtener productos en fase pura. Sin embargo, actualmente, el método de coprecipitación presenta dos problemas: el largo tiempo de preparación y el bajo rendimiento. El método de síntesis hidrotermal comparte muchas similitudes con el método de coprecipitación. Presenta las ventajas de un tiempo de reacción corto y una distribución uniforme de las partículas del material. Sin embargo, actualmente, el método de síntesis hidrotermal presenta tres desventajas: en primer lugar, el proceso de reacción se lleva a cabo en un sistema cerrado y no se puede observar directamente; en segundo lugar, existen etapas de alta temperatura y alta presión, que exigen altos requisitos para el equipo de producción; y en tercer lugar, el proceso es engorroso y no es adecuado para la producción industrial.
V. Compuestos polianiónicos
La fórmula general de los compuestos polianiónicos es NaxMy[(XOm)n-]z, donde M es un ion metálico con un estado de valencia variable y X son elementos como P, S y V. Presentan ventajas como buena estabilidad, rendimiento cíclico y seguridad, pero presentan problemas de baja capacidad específica y baja conductividad. Según sus diferentes estructuras, se pueden clasificar en fosfatos con estructura de olivino, compuestos NASCICON (conductor rápido de iones Na+) y compuestos de fosfato.
El método de preparación del NaFePO₄ con estructura de olivino como material catódico para baterías de iones de sodio es similar al del fosfato de hierro y litio. Su capacidad teórica es de 154 mAh/g y su voltaje de trabajo es de 2,9 V. Sin embargo, su conductividad eléctrica es relativamente baja y solo presenta canales de difusión de Na₂ unidimensionales, lo que afecta su rendimiento. Actualmente, la conductividad eléctrica se mejora mediante un recubrimiento de carbono o la sustitución iónica. Los compuestos con estructura de nascicon son conductores iónicos rápidos con una capacidad específica teórica de aproximadamente 120 mAh/g y un voltaje de trabajo de aproximadamente 3,3 V. Presentan una estructura de armazón tridimensional, una alta tasa de difusión iónica y una buena estabilidad cinética y cíclica. Sin embargo, cuando se introduce el pentavalente V, suele ser tóxico y supone una gran amenaza para la salud humana, lo que limita en cierta medida su uso a gran escala.
Estructuras cristalinas de diversos materiales catódicos polianiónicos
