I. Tinjauan Umum Baterai Sodium-Ion
Baterai ion natrium merupakan jenis baterai yang pengisian dan pengosongannya dilakukan dengan mengandalkan pergerakan ion natrium di antara elektroda positif dan negatif, dengan prinsip kerja yang mirip dengan baterai ion litium. Baterai ion natrium terutama terdiri dari elektroda positif, elektroda negatif,sebuah elektrolit, Apemisah, dan kolektor arus. Selama pengisian daya, Na⁺ diekstraksi dari elektroda positif, melewati pemisah, dan tertanam ke dalam elektroda negatif untuk bergabung dengan elektron. Selama pengosongan daya, Na⁺ diekstraksi dari elektroda negatif, melewati pemisah, dan tertanam ke dalam elektroda positif, sementara elektron ditransfer dari elektroda negatif ke elektroda positif melalui sirkuit eksternal. Akhirnya, reaksi redoks terjadi di elektroda positif untuk memulihkan keadaan kaya natrium.
Diagram skema pengisian dan pengosongan baterai ion natrium
II. Tiga Rute Teknis
Dibandingkan dengan baterai lithium-ion, perubahan paling signifikan pada baterai sodium-ion terletak pada bahan katode, yang kinerjanya juga merupakan faktor kunci yang menentukan kepadatan energi, keamanan, dan siklus hidup baterai. Ion sodium memiliki massa dan radius yang lebih besar daripada ion lithium, sehingga menghasilkan laju difusi ionik yang lebih rendah. Hal ini tercermin dalam kapasitas teoritis dan kinetika reaksi yang sedikit lebih rendah dalam kinerja baterai, yang memerlukan terobosan dalam bahan katode untuk mengatasi masalah ini. Saat ini, rute teknis untuk bahan katode belum ditentukan, tetapi oksida berlapisBahasa Indonesia: biru prusia analog, Dan senyawa polianion adalahtiga rute yang menjanjikan diharapkan menonjol.
SAYAIIOksida berlapis
Rumus umum untuk oksida berlapis adalah NaxMO2, di mana M mengacu pada unsur logam transisi, seperti vanadium (V), kromium (Cr), mangan (Mn), besi (Fe), kobalt (Co), nikel (Ni), tembaga (Cu), dll. Di antara mereka, mangan (Mn) dan besi (Fe), yang berlimpah sumber dayanya, adalah yang paling umum. Oksida logam transisi dapat diklasifikasikan lebih lanjut menjadi dua jenis: berlapis dan terowongan. Ketika kandungan natrium rendah (x<0,5), struktur terowongan terutama ada. Ketika kandungan natrium relatif tinggi, umumnya didominasi oleh struktur berlapis, dengan Na+ terletak di antara lapisan, membentuk struktur berlapis di mana lapisan MO2 dan lapisan natrium tersusun secara bergantian.
Iv. Analogi Biru Prusia
Rumus umum untuk analog biru Prusia adalah NaxMA[MB(CN)6]·zH2O. MA dan MB mewakili unsur logam transisi, terutama besi (Fe), kobalt (Co), nikel (Ni), mangan (Mn), dll. Karena kerangka terbuka yang unik dan struktur makropori tiga dimensi senyawa biru Prusia, senyawa ini cocok untuk migrasi dan penyimpanan ion natrium. Dari segi keunggulan, senyawa berbasis besibiru prusia dan Prussian blue berbasis mangan memiliki keunggulan berupa bahan baku yang melimpah, biaya rendah, kapasitas spesifik tinggi, kinerja laju tinggi, dan stabilitas elektrokimia yang sangat baik. Dalam hal kerugian, karena metode produksi saat ini sebagian besar mengadopsi metode kopresipitasi, banyak cacat struktural air kristal dan Fe(CN)6 yang sering dihasilkan. Air kristal cenderung menempati tempat penyimpanan natrium dan saluran deinterkalasi ion natrium dalam kristal, yang mengakibatkan penurunan kandungan ion natrium dalam material dan pengurangan laju migrasi ion natrium. Cacat struktural dan air kristal Fe(CN)6 dapat menyebabkan keruntuhan struktural selama proses pengisian dan pengosongan material, yang memengaruhi kinerja siklus material.
Proses produksi senyawa biru Prusia terutama mencakup ko-presipitasi dan sintesis hidrotermal. Di antara mereka, ko-presipitasi adalah metode yang paling umum, yang memiliki keuntungan dari proses persiapan sederhana, tidak memerlukan perawatan suhu tinggi dan perolehan produk fase murni yang mudah. Namun, saat ini, metode ko-presipitasi masih memiliki dua masalah. Salah satunya adalah waktu persiapan yang lama; Yang kedua adalah output yang rendah. Metode sintesis hidrotermal memiliki banyak kesamaan dengan metode ko-presipitasi. Ia memiliki keuntungan dari waktu reaksi yang singkat dan distribusi partikel material yang seragam. Namun, saat ini, metode sintesis hidrotermal memiliki tiga kelemahan. Pertama, proses reaksi berlangsung dalam sistem tertutup, dan proses reaksi tidak dapat diamati secara langsung. Kedua, ada langkah-langkah suhu tinggi dan tekanan tinggi, yang memiliki persyaratan tinggi untuk peralatan produksi. Ketiga, prosesnya rumit dan tidak cocok untuk produksi industri.
V. Senyawa Polianionik
Rumus umum senyawa polianionik adalah NaxMy[(XOm)n-]z, di mana M adalah ion logam dengan keadaan valensi variabel dan X adalah unsur-unsur seperti P, S, dan V. Senyawa ini memiliki keunggulan berupa stabilitas yang baik, kinerja siklus, dan keamanan, tetapi terdapat masalah berupa kapasitas spesifik yang rendah dan konduktivitas yang buruk. Berdasarkan strukturnya yang berbeda, senyawa ini dapat diklasifikasikan menjadi fosfat berstruktur olivin, senyawa NASCICON (konduktor ion cepat Na+), dan senyawa fosfat.
Metode preparasi NaFePO4 berstruktur olivin sebagai material katode untuk baterai ion natrium mirip dengan litium besi fosfat. Kapasitas teoritisnya adalah 154 mAh/g dan tegangan kerja 2,9 V. Akan tetapi, konduktivitas listriknya sendiri relatif rendah dan hanya memiliki saluran difusi Na+ satu dimensi, yang memengaruhi kinerja aktualnya. Saat ini, konduktivitas listrik ditingkatkan melalui pelapisan karbon atau substitusi ion. Senyawa berstruktur nascicon adalah konduktor ionik cepat dengan kapasitas spesifik teoritis sekitar 120 mAh/g dan tegangan operasi sekitar 3,3 V. Senyawa ini memiliki struktur rangka 3D, laju difusi ion tinggi, dan stabilitas kinetik dan siklus yang baik. Akan tetapi, ketika pentavalen V diperkenalkan, senyawa ini sering kali beracun dan menimbulkan ancaman besar bagi kesehatan manusia, yang sampai batas tertentu membatasi penggunaan skala besarnya.
Struktur kristal berbagai bahan katoda polianionik
