Испытание на проводимость и плотность уплотнения материалов с положительным и отрицательным натриевым ионом
Натрий и литий принадлежат к одному и тому же семейству элементов, и их химические свойства схожи. Однако по сравнению с литием натрий имеет очевидные преимущества по ресурсным запасам и стоимости. При этом натрий-ионные аккумуляторы можно быстро заряжать и разряжать. Процесс такой же, как и с литиевыми батареями, что делает их потенциальной заменой литий-ионным батареям и, как ожидается, станет следующим поколением коммерческих накопителей энергии. С постепенным продвижением исследований в области натрий-ионных аккумуляторов были сделаны прорывы в материалах для накопления положительной и отрицательной энергии для натрий-ионных аккумуляторов. Материалы положительного электрода для натрий-ионных аккумуляторов в основном включают оксиды, полианионы, берлинскую лазурь и органические соединения. ; Материалы отрицательного электрода в основном включают углеродные, титановые, органические,
Берлинская лазурь (ПБ ) в качестве репрезентативного материала металлоорганических каркасов (Минфин ) при исследовании катодных материалов с ионами натрия привлекла внимание из-за его низкой стоимости, легкого процесса приготовления и полой структуры каркаса. Исследования показали, что наноматериалы, полученные из ПБ, могут наследовать некоторые из своих характеристик, демонстрируя большую площадь поверхности, взаимосвязанные поры и поры разного размера, что может способствовать переносу заряда при использовании в системах хранения и преобразования энергии. Подбирая условия синтеза (такие как температура и атмосфера), можно получить наноматериалы с идеальной структурой и свойствами, которые могут найти широкое применение в области хранения энергии [1]. Рисунок 1 представляет собой схематическую диаграмму кристаллической структуры берлинской лазури и ее производных. 2 представляет собой СЭМ-изображение берлинской лазури и ее производных.
Рисунок 1. Схематическая диаграмма кристаллической структуры берлинской лазури и ее производных[1]
Рис. 2. СЭМ-изображение берлинской лазури и ее производных:
(а) По0,67В0,33Мн0,67О2&NBSP ;(группа0,67В0,33Мн0,66Сн0,01О2 (с) И0,67В0,33Мн0,64Сн0,03О2 и(г) По0,67В0,33Мн0,62Сн0,05О2[2]
Среди анодных материалов аноды на основе углерода не только имеют низкую платформу интеркаляции натрия, высокую емкость и хорошую циклическую стабильность, но также обладают преимуществами обильных ресурсов и простой подготовки и в настоящее время являются наиболее многообещающими анодными материалами для хранения натрия. Среди них твердые углеродные материалы стали идеальными материалами для коммерциализации благодаря их преимуществам, таким как большое расстояние между слоями, низкая стоимость, простой метод синтеза и возможность использования возобновляемых ресурсов в качестве прекурсоров. Фигура 3 представляет собой схематическую диаграмму синтеза твердого углерода и характеристическую диаграмму микроскопической морфологии и структуры.
Рис. 3. Схематическая диаграмма синтеза твердого углерода и диаграмма характеристик микроструктуры [3]
В этой статье были выбраны четыре материала берлинской лазури (ПБ ) и твердого углерода (ХК ), и различия между материалами были оценены путем тестирования электропроводности и плотности уплотнения при различных условиях давления.
1. Метод испытаний
1.1 PRCD3100 (ИЭСТ ) используется для четырех видов материалов берлинской лазури (ПБ -1/ПБ -2/ПБ -3/ПБ -4) и четырех видов твердого углерода (ХК -1/ХК -2/ХК -3). /ХК -4) были испытаны на электропроводность и плотность уплотнения. Среди них материалы берлинской лазури были испытаны в двухзондовом режиме, а твердые углеродные материалы были испытаны в четырехзондовом режиме. Испытательное оборудование показано на рисунке 2. .
Параметры испытаний: диапазон приложенного давления составляет 10-200 МПа, интервал 20 МПа, давление поддерживается в течение 10 с;
Рис. 4. (а) Внешний вид PRCD3100
(б) Структурная схема PRCD3100
2. Результаты испытаний и анализ
Берлинская лазурь (ПБ ) и ее аналоги имеют каналы, состоящие из трехмерных каркасных структур, которые могут облегчить введение и извлечение ионов натрия, и являются идеальными катодными материалами для натрий-ионных батарей. Материал может обеспечить теоретическую удельную емкость 170 мАч/г при хорошей циклической стабильности. Однако его низкая циклическая стабильность и скорость в электрохимических испытаниях часто ограничивают его практическое применение в натрий-ионных батареях. Основная причина, влияющая на его электрохимические характеристики, заключается в том, что в кристаллической структуре материала появляется большое количество вакансий и координационной воды, занимающих множество мест электрохимических реакций, снижающих удельную емкость материала.&NBSP ;
В то же время наличие вакансий также будет вызывать коллапс структуры из-за миграции ионов натрия, а координированная вода в структуре снижает электропроводность материала. В практических приложениях исследователи оптимизируют его физические и электрохимические свойства, модифицируя его. , а оценка электронной проводимости на конце материала может использоваться как эффективный метод оценки. На рис. 5 представлены результаты испытаний удельного сопротивления и электропроводности четырех материалов берлинской лазури, из которых ПБ-2 модифицирован на основе ПБ-1, а ПБ-4 модифицирован на основе ПБ-3. Из результатов испытаний скорости видно, что ПБ-1, ПБ-3>ПБ-2>ПБ -4, два модифицированных материала, обладают лучшей проводимостью.
В процессе производства литий-ионных аккумуляторов плотность уплотнения оказывает большое влияние на производительность аккумулятора. Плотность уплотнения тесно связана с удельной емкостью, эффективностью, внутренним сопротивлением и рабочим циклом батареи. На рис. 6 показаны результаты испытаний на плотность уплотнения четырех прусских материалов, ПБ-1.>ПБ-3>ПБ-4>ПБ-2, плотность уплотнения двух модифицированных материалов в текущих условиях испытаний лучше не показала, видно, что в реальных НИОКР необходимо всесторонне оценивать общие характеристики материала, комбинируя различные средства, чтобы в конечном итоге получить материал с лучшими общими характеристиками.
Рис. 5. (A) Результаты испытаний на сопротивление четырех материалов, подобных берлинской лазури;
(B) Результаты испытаний на проводимость четырех материалов, подобных берлинской лазури.
Рис. 6. Результаты испытаний плотности уплотнения для четырех материалов, подобных берлинской лазури.
Твердые углеродные материалы считаются наиболее перспективными анодными материалами для создания натрий-ионных аккумуляторов. Исследователи улучшили скорость, контролируя морфологию твердых углеродных материалов, вводя структуры пор или создавая трехмерные встроенные структуры в твердых углеродных материалах. Управляя различными процессами карбонизации, можно регулировать микроструктуру твердых углеродных материалов, особенно графитоподобную микрокристаллическую структуру, для улучшения термодинамического процесса введения ионов натрия и увеличения способности материала накапливать натрий [4].&NBSP ;
Результаты испытаний на сопротивление и проводимость четырех твердых углеродных материалов, выбранных в этой статье, показаны на рис. 7 А и В. По результатам испытаний на проводимость ХК -1>ХК-4>ХК-2>НС-3, а именно НС-1 проявляет лучшую электропроводность; результаты испытаний на плотность в сжатом состоянии для четырех материалов показаны на рис. 8. По результатам испытаний на плотность в сжатом состоянии ХК -4>НС-1>ХК-2>ХК -3, четыре Существуют очевидные различия между различными материалами; различия в электропроводности и плотности уплотнения между материалами связаны с их процессом, морфологией кристаллов, внутренней структурой и состоянием поверхности.
Рис. 7. (A) Результаты испытаний на сопротивление четырех твердых углеродных материалов;
(B) Результаты испытаний на проводимость четырех твердых углеродных материалов
Рис. 8. Результаты испытаний на плотность уплотнения четырех твердых углеродных материалов.
3. Резюме
В этой статье оборудование для определения сопротивления порошка и плотности уплотнения (PRCD3100 ) использовалось для обнаружения разницы в электропроводности и плотности уплотнения между материалом положительного электрода берлинской лазурью и твердым углеродом материала отрицательного электрода для натрий-ионных батарей. Результаты испытаний показывают, что разницу между различными материалами можно четко различить. Являясь эффективным методом проверки физических свойств материалов, он помогает разработчикам быстро оценить различия в электропроводности и плотности уплотнения на уровне материала.
Рекомендации
[1] Чен Дж., Вэй Л., Махмуд А. и др. Берлинская лазурь, ее аналоги и производные материалы для электрохимического накопления и преобразования энергии - НаукаПрямой [J]. Материалы для хранения энергии, 2020, 25:585-612.
[2] Ли Дж.，Ристхаус Т., Ван Дж. и др. Влияние замещения Сн на структуру и кислородную активность На 0,67В0,33Мн0,67О2&NBSP ;катодные материалы для натрий-ионных аккумуляторов[J]. Журнал источников энергии, 2019 г., 449:227554.
[3] Инь X, Лу Z, Ван J и др. Включение Быстрый На +&NBSP ;Кинетика переноса во всей области напряжения твердоуглеродистых анодов для сверхвысокой скорости хранения натрия [J]. Дополнительные материалы, 2022.
[4] У Цзюньда, Чжао Ябинь, Чжан Фумин. Прогресс исследований твердых углеродных материалов в качестве анодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов при комнатной температуре [J]. Шаньдунская химическая промышленность, 2019, 48(9):3.