Promoción de cátodos de alta energía para baterías de metal de sodio sólido

Un equipo de China ha logrado un gran avance en el desarrollo de baterías de iones de sodio (SIB).

“El desarrollo de un SIB de alta densidad de energía y alta seguridad es imprescindible”, dijo el autor del artículo, Zhongyue Wang, profesor de la Facultad de Electrónica y Óptica y la Facultad de Electrónica Flexible (Tecnología del Futuro) de la Universidad de Correos y Comercio de Nanjing. Telecomunicaciones. “Ha habido grandes avances en las baterías de iones de sodio ahora, pero su densidad de energía sigue siendo mucho más baja que las LIB de cátodo limitado”.

Wang explicó que el fosfato tipo NASICON (Na_XMM'(PO₄)₃M, M’ = metal de transición Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co y Ni) se considera el cátodo de alta energía más competitivo, que se beneficia de su estructura estable, estructuras abiertas tridimensionales y diversidad estructural.

“En_XMM'(PO₄)₃ contiene un enorme reservorio de Na con el potencial de hasta cuatro Na extraíbles; sin embargo, la extracción/inserción reversible de más de dos iones de Na rara vez se realiza, dijo Wang. “La reacción electroquímica de uno o dos electrones por unidad de fórmula hace que la mayoría de los cátodos de fosfato tengan una densidad de energía baja (<500 Wh kg^-1). Por lo tanto, el estudio de un cátodo capaz de una reacción de tres electrones y un alto voltaje operativo es extremadamente deseable para lograr una mayor densidad de energía para los SIB”.

Pero no todo Na_XMM'(PO₄)₃ Los cátodos son capaces de reacciones de tres electrones. Según Wang, no puedes tener tu pastel y comértelo también. Los cátodos de fosfato baratos basados ​​en Ti y Fe pueden alcanzar capacitancias específicas por encima de 170 mA hg^-1pero el voltaje operativo más bajo da como resultado una densidad de energía baja.

Por otro lado, la meseta de voltaje muy alto de los cátodos de fosfato basados ​​​​en Co o Ni (por encima de 4.5 V vs Na⁺/Na) plantea un gran desafío para la estabilidad electroquímica del electrolito e inevitablemente provoca su descomposición. En₄MnCr(PO₄)₃debido al voltaje de meseta más alto (4.34 V para Cr^4+/3+4,11 V para manganeso^4+/3+3,43 V para manganeso^3+/2+), alta densidad de energía teórica (566 Wh kg^-1), de bajo costo y bajo/no tóxico, se convertirá en un cátodo ideal para SIB.

Sin embargo, hay varios informes de Na₄MnCr(PO₄)₃, los resultados son muy inconsistentes y el rendimiento del ciclo en las ventanas de voltaje de corte de 4,5 V es muy pobre. Wang dijo que la razón principal es la descomposición del electrolito orgánico bajo alto voltaje. Wang y su equipo sintetizaron Na de alta energía recubierto con carbono₄MnCr(PO₄)₃y lo que es más importante, lograron una estabilidad de ciclo mejorada en baterías de metal de sodio sólido.

“En este artículo, el contenido de carbono en la superficie de Na₄MnCr(PO₄)₃ se controlaron ajustando la relación molar de ácido cítrico e iones metálicos y el rendimiento electroquímico de Na₄MnCr(PO₄)₃ ha sido optimizado, densidad de energía ultra alta de 523,6 Wh kg^-1 obtenidos”, dijo Wang. “Tan preparado para₄MnCr(PO₄)₃@C se han ensamblado en baterías de metal de sodio de estado sólido haciendo coincidir Na_3.3La_0.3zr_1.7si₂DESPUÉS₁₂(3% en peso de Na₂b₄ACERCA DE₇) electrolito cerámico y logró un ciclo más estable que la media celda.

“La mejor estabilidad cíclica se atribuye a la muy alta conductividad iónica (1,2 mS cm-^-1) N / A_3.3La_0.3zr_1.7si₂DESPUÉS₁₂(3% en peso de Na₂b₄ACERCA DE₇) y su amplia ventana de estabilidad electroquímica (> 5 V), dijo Wang.

“Aún queda mucho por hacer en Na₄MnCr(PO₄)₃basado en baterías de estado sólido”, dijo Wang. “Por ejemplo, se espera que un electrolito sólido compuesto ultrafino mejore los problemas de interfaz y aumente la densidad de energía SSSIB, y finalmente permita aplicaciones prácticas”.

Los resultados de la investigación se publican en la revista Avances en materiales energéticos.

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Beijing Press Co., Ltd