Principes de base et composition des batteries sodium-ion

Principes de base et composition des batteries sodium-ion

1. Aperçu de batteries sodium-ion

Dans divers systèmes de stockage d'énergie, les batteries lithium-ion sont largement utilisées en raison de leurs avantages tels qu'une densité d'énergie et de puissance élevée, une longue durée de vie, le respect de l'environnement et l'absence d'effet mémoire. Depuis la commercialisation réussie des batteries lithium-ion en 1991, elles ont joué un rôle de premier plan important et irremplaçable dans de nombreux domaines importants, tels que l'industrie de l'électronique grand public, les véhicules à énergie nouvelle, le stockage d'énergie à grande échelle, etc. les technologies et les processus des batteries lithium-ion ont mûri et les batteries lithium-ion présentent des avantages uniques dans divers domaines, la faible sécurité, la faible durée de vie, la résistance aux basses températures et le coût élevé des batteries lithium-ion ne peuvent être ignorés. Par conséquent, il est urgent de développer des batteries à faible coût offrant une sécurité élevée, une fiabilité élevée, une résistance au froid et à la chaleur comme alternatives aux batteries lithium-ion. En revanche, les ressources en sodium constituent le sixième élément le plus abondant de la croûte terrestre (environ 150 millions de tonnes, soit 2,74 % du total des éléments de la croûte terrestre), et le sodium, en tant que composant principal du sel marin, est largement distribué dans l'océan, avec les avantages d'une distribution large et uniforme, d'une acquisition et d'une purification faciles. De plus, le sodium est un élément du premier groupe principal comme le lithium, et ses propriétés physiques et chimiques telles que le rayon ionique et la masse atomique sont similaires à celles du lithium (tableau 1-1). Le sodium métallique a une capacité spécifique théorique relativement élevée (1 166 mAhgl) et un potentiel électrochimique de -2,71 V (par rapport à une électrode à hydrogène standard). En résumé, les batteries sodium-ion devraient remplacer les batteries lithium-ion actuelles, et le développement et la recherche de batteries sodium-ion efficaces revêtent une importance stratégique et une valeur d'application commerciale importantes.

2. Principes de base et composition des batteries sodium-ion

1) Mode de travail
Lorsque la batterie est chargée, les ions sodium sont libérés du matériau de l'électrode positive dans l'électrolyte, et les ions sodium libres dans l'électrolyte sont intégrés dans le matériau de l'électrode négative ; dans le circuit externe, les électrons migrent de l’électrode positive vers l’électrode négative. Lorsque la batterie est déchargée, les ions sodium sont libérés de l'électrode négative et réintégrés dans le matériau de l'électrode positive ; les électrons du circuit externe circulent de l'électrode négative à l'électrode positive sous le champ de potentiel.

2)Composition
Électrode positive
En tant que composant important des batteries sodium-ion, le matériau de l'électrode positive fournit des ions sodium pendant le premier cycle de charge et de décharge. De plus, la stabilité structurelle du matériau de l’électrode positive est largement liée à la stabilité du cycle de la batterie sodium-ion. Dans un matériau d'électrode positive idéal, le retrait et l'expansion du volume provoqués par l'extraction et l'insertion d'ions sodium peuvent provoquer une distorsion et des dommages négligeables à la structure cristalline et peuvent améliorer efficacement les performances électrochimiques. D'une manière générale, les matériaux polymères organiques dotés de structures octaédriques et les matériaux d'oxyde en couches dotés de structures bidimensionnelles peuvent lier efficacement les ions sodium dans les octaèdres et constituent des matériaux d'électrode positive idéaux pour stocker les ions sodium.
L'énergie de liaison du lithium et du sodium est différente. Dans la même structure, la tension d'intégration des ions sodium est nettement inférieure à celle des ions lithium (0,18-0,57 V). Comparés aux ions lithium, les ions sodium ont une masse et une taille plus grandes, ce qui indique que leur taux de diffusion est également nettement inférieur. Afin d’augmenter le taux de diffusion des ions sodium dans les matériaux d’électrode, la nanodimensionnement de la taille du matériau d’électrode est un moyen efficace.

Électrode négative
Dans une batterie pleine, le matériau de l'électrode négative est tout aussi important pour la capacité, le débit, la stabilité du cycle et d'autres performances de la batterie. La capacité spécifique théorique de la cathode métallique au sodium (1 166 mAhg-1) est inférieure à celle de la cathode métallique au lithium et elle a un potentiel de réduction plus élevé. Le sodium métallique est plus susceptible de réagir et de se décomposer dans les électrolytes organiques, conduisant à la formation de dendrites de sodium. De plus, en raison du faible point de fusion du sodium métallique (98°C), le sodium métallique fond plus facilement et se diffuse pendant le processus de charge et de décharge, ce qui met en danger la santé de la batterie. Par conséquent, les perspectives d’application des batteries au sodium métal sont minces. Cependant, en utilisant des ions sodium comme source d'ions pour l'incorporation et le désincorporation, les matériaux des électrodes positives et négatives peuvent être incorporés et désincorporés à la manière d'une « chaise à bascule » pour réaliser la charge et la décharge de la batterie, ainsi que le recyclage. d'ions sodium peut être obtenu. Une telle conception évite les dangers associés à une faible activité des ions sodium. Malheureusement, il est difficile de le combiner de manière transparente avec d’autres composants du matériau de la batterie pour former une batterie complète. Par conséquent, la plupart des études ont uniquement étudié les propriétés électrochimiques des nouveaux matériaux d’électrode et des demi-cellules métal-sodium.