Prueba de conductividad y densidad de compactación de materiales positivos y negativos de iones de sodio
El sodio y el litio pertenecen a la misma familia de elementos y sus propiedades químicas son similares. Sin embargo, en comparación con el litio, el sodio tiene ventajas obvias en términos de reservas de recursos y costos. Al mismo tiempo, las baterías de iones de sodio se pueden cargar y descargar rápidamente. El proceso es el mismo que el de las baterías de litio, lo que las convierte en un sustituto potencial de las baterías de iones de litio y se espera que se conviertan en la próxima generación de dispositivos comerciales de almacenamiento de energía. Con el avance gradual de la investigación de las baterías de iones de sodio, se han logrado avances en los materiales de almacenamiento de energía positiva y negativa para las baterías de iones de sodio. Los materiales de electrodos positivos para baterías de iones de sodio incluyen principalmente óxidos, polianiones, azul de Prusia y compuestos orgánicos. ; Los materiales de electrodos negativos incluyen principalmente a base de carbono, a base de titanio, orgánicos,
El azul de Prusia (PB) como material representativo de estructuras organometálicas (MOF) en la investigación de materiales catódicos de iones de sodio ha llamado la atención debido a su bajo costo, proceso de preparación sencillo y estructura de estructura hueca. Los estudios han demostrado que los nanomateriales derivados de PB pueden heredar algunas de sus características, exhibiendo grandes áreas de superficie, poros interconectados y tamaños de poros graduados, lo que puede facilitar la transferencia de carga cuando se usa en sistemas de conversión y almacenamiento de energía. Al ajustar las condiciones de síntesis (como la temperatura y la atmósfera), se pueden obtener nanomateriales con una estructura y propiedades ideales, que pueden ser ampliamente utilizados en el campo del almacenamiento de energía [1]. La Figura 1 es un diagrama esquemático de la estructura cristalina del azul de Prusia y sus derivados. 2 es la imagen SEM del azul de Prusia y sus derivados.
Figura 1. Diagrama esquemático de la estructura cristalina del azul de Prusia y sus derivados[1]
Figura 2. Imagen SEM del azul de Prusia y sus derivados:
(a) Por0,67En0.33Minnesota0,67O2 (banda0,67En0.33Minnesota0,66sn0.01O2 (c) y0,67En0.33Minnesota0,64sn0.03O2 y(d) Por0,67En0.33Minnesota0,62sn0.05O2[2]
Entre los materiales de ánodo, los ánodos a base de carbono no solo tienen una plataforma de intercalación baja en sodio, alta capacidad y buena estabilidad de ciclo, sino que también tienen las ventajas de abundantes recursos y preparación simple, y actualmente son los materiales de ánodo de almacenamiento de sodio más prometedores. Entre ellos, los materiales de carbono duro se han convertido en materiales ideales para la comercialización debido a sus ventajas, como el gran espacio entre capas, el bajo costo, el método de síntesis simple y la posibilidad de utilizar recursos renovables como precursores. La Figura 3 es un diagrama esquemático de la síntesis de carbón duro y un diagrama de caracterización de la morfología y estructura microscópica.
Fig 3. Diagrama esquemático de síntesis de carbono duro y diagrama de caracterización de microestructura[3]
En este trabajo, se seleccionaron cuatro materiales de azul de Prusia (PB) y carbón duro (HC), y se evaluaron las diferencias entre los materiales probando la conductividad eléctrica y la densidad de compactación bajo diferentes condiciones de presión.
1. Método de prueba
1.1 El PRCD3100 (IEST) se utiliza para cuatro tipos de materiales de azul de Prusia (PB-1/PB-2/PB-3/PB-4) y cuatro tipos de carbono duro (HC-1/HC-2/ HC-3 /HC-4) se probaron los materiales para conductividad eléctrica y densidad de compactación. Entre ellos, los materiales de azul de Prusia se probaron en el modo de dos sondas y los materiales de carbono duro se probaron en el modo de cuatro sondas. El equipo de prueba se muestra en la Figura 2. .
Parámetros de prueba: el rango de presión aplicada es de 10-200 MPa, el intervalo es de 20 MPa y la presión se mantiene durante 10 s;
Figura 4. (a) Apariencia de PRCD3100
(b) Diagrama de estructura de PRCD3100
2. Resultados y análisis de las pruebas
El azul de Prusia (PB) y sus análogos tienen canales compuestos por estructuras estructurales tridimensionales, que pueden facilitar la inserción y extracción de iones de sodio, y son materiales de cátodo ideales para baterías de iones de sodio. El material puede proporcionar una capacidad específica teórica de 170 mAh/g con una buena estabilidad cíclica. Sin embargo, su baja estabilidad cíclica y capacidad de velocidad en pruebas electroquímicas a menudo limitan su aplicación práctica en baterías de iones de Na. La principal razón para afectar su desempeño electroquímico es que una gran cantidad de vacantes y agua de coordinación aparecen en la estructura cristalina del material, ocupando muchos sitios de reacción electroquímica, reduciendo la capacidad específica del material.
Al mismo tiempo, la existencia de vacantes también provocará el colapso de la estructura debido a la migración de iones de sodio, y el agua coordinada en la estructura reduce la conductividad eléctrica del material. En aplicaciones prácticas, los investigadores optimizan sus propiedades físicas y electroquímicas modificándolo. , y la evaluación de la conductividad electrónica en el extremo material se puede utilizar como un método de evaluación eficaz. La figura 5 muestra los resultados de las pruebas de resistividad y conductividad eléctrica de cuatro materiales de azul de Prusia, de los cuales PB-2 se modifica sobre la base de PB-1 y PB-4 se modifica sobre la base de PB-3. De los resultados de la prueba de velocidad, se puede ver que PB-1, PB-3>PB-2>PB-4, los dos materiales modificados tienen mejor conductividad.
En el proceso de producción de baterías de iones de litio, la densidad de compactación tiene una gran influencia en el rendimiento de la batería. La densidad de compactación está estrechamente relacionada con la capacidad específica, la eficiencia, la resistencia interna y el rendimiento del ciclo de la batería. La Figura 6 muestra los resultados de la prueba de densidad de compactación de los cuatro materiales prusianos, PB-1>PB-3>PB-4>PB-2, la densidad de compactación de los dos materiales modificados en las condiciones de prueba actuales no mostró Mejor, se puede ver que en el trabajo real de investigación y desarrollo, es necesario evaluar exhaustivamente el rendimiento general del material combinando varios medios, para finalmente obtener un material con mejores prestaciones globales.
Figura 5. (A) Los resultados de la prueba de resistividad de cuatro materiales similares al azul de Prusia;
(B) Resultados de la prueba de conductividad de cuatro materiales similares al azul de Prusia
Figura 6. Resultados de la prueba de densidad de compactación para cuatro materiales similares al azul de Prusia
Los materiales de carbono duro se consideran los materiales de ánodo más prometedores para el desarrollo de baterías de iones de sodio. Los investigadores han mejorado la capacidad de velocidad controlando la morfología de los materiales de carbono duro, introduciendo estructuras de poros o construyendo estructuras en línea tridimensionales en materiales de carbono duro. Al controlar los diferentes procesos de carbonización, la microestructura de los materiales de carbono duro, especialmente la estructura microcristalina similar al grafito, se puede ajustar para mejorar el proceso termodinámico de inserción de iones de sodio y aumentar la capacidad de almacenamiento de sodio del material [4].
Los resultados de las pruebas de resistividad y conductividad de los cuatro materiales de carbono duro seleccionados en este documento se muestran en la Figura 7 A y B. De los resultados de las pruebas de conductividad, HC-1>HC-4>HC-2>HC-3, concretamente HC-1 muestra una mejor conductividad eléctrica; los resultados de la prueba de densidad compactada de los cuatro materiales se muestran en la Figura 8. De los resultados de la prueba de densidad compactada, HC-4>HC-1>HC-2>HC-3, cuatro Existen distinciones obvias entre diferentes materiales; las diferencias en conductividad eléctrica y densidad de compactación entre materiales están relacionadas con su proceso, morfología cristalina, estructura interna y estado superficial.
Figura 7. (A) Los resultados de la prueba de resistividad de cuatro materiales de carbono duro;
(B) Resultados de la prueba de conductividad de cuatro materiales de carbono duro
Figura 8. Resultados de la prueba de densidad de compactación de cuatro materiales de carbono duro
3. Resumen
En este artículo, se utilizó el equipo de densidad de compactación y resistencia del polvo (PRCD3100) para detectar la diferencia en la conductividad eléctrica y la densidad de compactación entre el material de electrodo positivo azul de Prusia y el material de electrodo negativo de carbón duro para baterías de iones de sodio. Los resultados de la prueba muestran que la diferencia entre diferentes materiales se puede distinguir claramente. Como método efectivo para probar las propiedades físicas de los materiales, ayuda a los desarrolladores a evaluar rápidamente las diferencias en la conductividad eléctrica y la densidad de compactación a nivel de material.
Referencias
[1] Chen J, Wei L, Mahmood A, et al. Azul de Prusia, sus análogos y sus materiales derivados para almacenamiento y conversión de energía electroquímica - ScienceDirect[J]. Materiales de almacenamiento de energía, 2020, 25:585-612.
[2] Lee J.，Risthaus T, Wang J, et al. El efecto de la sustitución de Sn en la estructura y la actividad de oxígeno de Na0,67En0.33Minnesota0,67O2 materiales de cátodo para baterías de iones de sodio [J]. Revista de fuentes de energía, 2019, 449:227554.
[3] Yin X, Lu Z, Wang J y otros Habilitación de Fast Na+ Cinética de transferencia en la región de voltaje completo de ánodos de carbono duro para almacenamiento de sodio a tasa ultraalta [J]. Materiales Avanzados, 2022.
[4] Wu Junda, Zhao Yabin, Zhang Fuming. Progreso de la investigación de materiales de carbono duro como materiales de ánodo para baterías de iones de sodio a temperatura ambiente [J]. Industria química de Shandong, 2019, 48(9):3.