В настоящее время литий-ионные аккумуляторы (LIB) привлекли внимание всего мира как передовые системы накопления энергии для коммерческой электроники и электромобилей. Тем не менее, низкое изобилие и неравномерное распределение ресурсов лития привели к осознанию того, что ЛИА могут быть не в состоянии удовлетворить постоянно растущий спрос на электрохимические системы хранения энергии в масштабе сети. Чтобы стимулировать дальнейшие исследования более распространенного и гораздо более дешевого кандидата, исследователи в Китае оценили предлагаемые натрий-ионные батареи (SIB) и предложили новые твердые углеродные аноды для более устойчивых и экономичных батарей.
Они опубликовали свою работу 10 марта в журнале Energy Material Advances.
«Натрий-ионные батареи (SIB) оказались в центре внимания для замены литий-ионных батарей », — сказал автор статьи Ин Бай, профессор Школы материаловедения и инженерии Пекинского технологического института. «Благодаря экономической эффективности, неисчерпаемым ресурсам Na, схожей химической природе Na с Li и аналогичному механизму работы с LIB, разработка SIB очень желательна. Соответственно, крайне важно разработать передовые электродные материалы с отличными характеристиками скорости, хорошей цикличностью. стабильность и высокая плотность энергии».
Бай объяснил, что среди различных анодных материалов углеродные материалы могут быть наиболее вероятными кандидатами из-за множества преимуществ, таких как низкая стоимость, простота получения и высокая производительность при циклировании.
«Графит представляет собой наиболее перспективные аноды на углеродной основе, которые десятилетиями коммерчески использовались в ЛИА. Однако графит не является подходящим выбором для ЛИА, поскольку он энергетически нестабилен для образования натрий-графитовых интеркаляционных соединений (Na-GIC), — сказал Бай. «Мягкие углеродные аноды также демонстрируют относительно более низкую способность накапливать натрий из-за недостаточного межслоевого расстояния для интеркаляции ионов. По сравнению с мягким углеродом и графитом твердые угли (HCs) обладают относительно более высокой емкостью накопления натрия из-за более гетерогенной структуры, которая содержит искривленный графит. домены с большим межслоевым расстоянием для внедрения Na и массивными нанопорами и краевыми окончаниями для адсорбции Na».
Однако коммерциализации УВ препятствуют некоторые препятствия. По словам Бая, ключевые проблемы для углеводородов, особенно их низкий ICE, плохая циклическая стабильность и плохая производительность, по-прежнему требуют глубокого изучения. Низкий ICE означает наличие невзаимных потерь Na + в стороне, требующих достаточного количества Na + , извлекаемого из сверхпропорциональных катодов при упаковке полных батарей, что может снизить общую плотность энергии и циклическую производительность полных батарей. Плохая пропускная способность ограничивает их применение в мощных электронных устройствах, а плохая цикличность значительно затрудняет практическую реализацию SIB. Следовательно, необходимы передовые стратегии материаловедения для повышения характеристик SIB анодов HC.
Бай сказал, что для улучшения характеристик накопления Na в углеводородах многие исследования сосредоточены на аморфном углероде с большой удельной площадью поверхности (SSA) или углеродных материалах, легированных гетероатомами, с большим количеством дефектов, таких как пористый углерод, наноразмерный углерод или углерод, легированный гетероатомами анионами. . Бай и ее команда рассмотрели достижения в области разработки материалов для анодов НС.
Во-первых, дизайн наноструктуры обеспечивает контролируемые технологические преимущества при создании углерода с иерархической и сложной архитектурой, морфологией и размерностью. Во-вторых, создание пор с взаимосвязанными микро/мезо/макропорами может улучшить диффузию ионов и использование внутренних активных центров. В-третьих, инженерия дефектов эффективна для стимулирования электрохимической активности углерода, что обеспечивает высокую аккумулирующую способность.
К сожалению, Бай сказал, что как большой SSA, так и чрезмерные дефекты в углеродной структуре имеют тенденцию вызывать неконтролируемое разложение электролита и образование неравномерной и нестабильной межфазной пленки твердого электролита (SEI), что приводит к низкому ICE, плохой циклической стабильности и снижению диффузии натрия. Поэтому, по словам Бай, весьма желательны новые стратегии оптимизации материалов.
«Введение катионов может также регулировать микроструктуру УВ, такую как расстояние между слоями, электронную проводимость, графитовые микродомены, восстанавливать функциональность поверхности и т. д., при этом не образуются дополнительные активные дефекты или поры. Следовательно, катионное легирование необходимо для оптимизации УВ. с желательными физико-химическими свойствами для высокопроизводительных анодов.В этой работе мы подготовили легированные K углеводороды путем отжига предварительно химически поглощенных углеродных ресурсов K + .K + был выбран для предварительной адсорбции на кислородных функциональных группах и некоторых дефектах в углеводородах для дезактивации эти активные сайты, способствуя высокому ICE и высокой стабильности цикла».
«Калий имеет низкую энергию ионизации и может связываться с отрицательно заряженными кислородсодержащими функциональными группами с большим электростатическим притяжением, образуя стабильную структуру», — сказал Бай. «Кислородные функциональные группы, такие как карбонилы и гидроксилы, а также некоторые участки дефектов на углероде могут работать как места закрепления для K + ». Согласно Бай, K + химически адсорбируется на кислородных функциональных группах, образуя связи COK и занимая некоторые места дефектов.
«Следовательно, необратимая адсорбция Na + кислородными функциональными группами и другими дефектами может быть уменьшена, что приведет к улучшению ДВС», — сказал Бай. «Между тем, предварительно поглощенный K + может привести к перестройке структуры углерода во время процесса карбонизации при высокой температуре, что приведет к увеличению межслоевого расстояния и улучшению степени графитизации». По словам Бай, эти структурные изменения приводят к быстрой диффузии Na + и более высокой проводимости, так что также повышаются скоростные характеристики предварительно абсорбированного K + твердого углерода, а также могут быть получены лучший ICE и выдающаяся стабильность при циклировании.
В этой работе предложен новый, эффективный и недорогой способ улучшения электрохимических характеристик углеводородов. Бай сказал, что такой метод подходит для крупномасштабного производства, тем самым способствуя коммерческому применению УВ для SIB.
«Хотя были достигнуты большие успехи, разработка практичных углеводородных анодов для SIB по-прежнему сталкивается с серьезными проблемами, такими как сложные этапы изготовления, сложная микроструктура углеводородов, неясный механизм накопления Na и т. д.», — сказал Бай. «Каждый тип углеродного материала имеет свои узкие места в разработке, которые требуют передовых стратегий для смягчения этих проблем. Кроме того, глубокое понимание механизмов электрохимических реакций углеродных материалов для SIB также важно для проектирования высокоэффективных материалов . В целом, до коммерциализации HC и SIB предстоит пройти долгий путь».
