Konduktivitets- och komprimeringsdensitetstest av Na-jon-positiva och negativa material

Natrium och litium tillhör samma familj av grundämnen, och deras kemiska egenskaper är likartade. Men jämfört med litium har natrium uppenbara fördelar vad gäller resursreserver och kostnad. Samtidigt kan natriumjonbatterier snabbt laddas och laddas ur. Processen är densamma som för litiumbatterier, vilket gör den till en potentiell ersättning för litiumjonbatterier och förväntas bli nästa generations kommersiella energilagringsenheter. Med den gradvisa utvecklingen av forskning om natriumjonbatterier har genombrott gjorts inom positiva och negativa energilagringsmaterial för natriumjonbatterier. De positiva elektrodmaterialen för natriumjonbatterier inkluderar huvudsakligen oxider, polyanjoner, preussiskt blått och organiska ämnen. ; Negativa elektrodmaterial inkluderar huvudsakligen kolbaserade, titanbaserade, organiska,

Preussisk blått (PB) som ett representativt material för metallorganiska ramverk (MOF) i forskningen av natriumjonkatodmaterial har uppmärksammats på grund av dess låga kostnad, enkla förberedelseprocess och ihåliga ramverksstruktur. Studier har visat att PB-härledda nanomaterial kan ärva några av sina egenskaper, uppvisa stora ytareor, sammankopplade porer och graderade porstorlekar, vilket kan underlätta laddningsöverföring när de används i energilagrings- och omvandlingssystem. Genom att justera syntesförhållandena (såsom temperatur och atmosfär) kan nanomaterial med ideal struktur och egenskaper erhållas, som kan användas i stor utsträckning inom området energilagring [1]. Figur 1 är ett schematiskt diagram över kristallstrukturen av preussiskt blått och dess derivat. 2 är SEM-bilden av preussiskt blått och dess derivat.

Figur 1. Schematiskt diagram över kristallstrukturen av preussiskt blått och dess derivat[1]

Figur 2. SEM-bild av preussisk blått och dess derivat:

(a) Av_0,67I_0,33Mn_0,67O₂ (b) Och_0,67I_0,33Mn_0,66Sn_0,01O₂ (c) Och_0,67I_0,33Mn_0,64Sn_0,03O₂ och(d) Av_0,67I_0,33Mn_0,62Sn_0,05O₂^[2]

Bland anodmaterialen har kolbaserade anoder inte bara en låg natriuminterkaleringsplattform, hög kapacitet och god cykelstabilitet, utan har också fördelarna med rikliga resurser och enkel förberedelse, och är för närvarande de mest lovande natriumlagringsanodmaterialen. Bland dem har hårda kolmaterial blivit idealiska material för kommersialisering på grund av deras fördelar som stort mellanskikt, låg kostnad, enkel syntesmetod och möjligheten att använda förnybara resurser som prekursorer. Figur 3 är ett schematiskt diagram över syntesen av hårt kol och ett karakteriseringsdiagram av den mikroskopiska morfologin och strukturen.

Fig 3. Schematiskt diagram över syntes av hårt kol och mikrostrukturkarakteriseringsdiagram[3]

I detta dokument valdes fyra preussiskt blått (PB) och hårt kol (HC) material, och skillnaderna mellan materialen utvärderades genom att testa den elektriska ledningsförmågan och packningsdensiteten under olika tryckförhållanden.

1. Testmetod

1.1 PRCD3100 (IEST) används för fyra typer av preussiskt blått (PB-1/PB-2/PB-3/PB-4) material och fyra typer av hårt kol (HC-1/HC-2/ HC-3 /HC-4)-material testades för elektrisk ledningsförmåga och packningsdensitet. Bland dem testades preussiska blå material i två-sondsläge, och hårda kolmaterial testades i fyra-sondsläge. Testutrustningen visas i figur 2. .

Testparametrar: det applicerade tryckintervallet är 10-200MPa, intervallet är 20MPa och trycket bibehålls i 10s;

Figur 4. (a) Utseende av PRCD3100

(b) Strukturdiagram för PRCD3100

2. Testresultat och analys

Prussian blue (PB) och dess analoger har kanaler sammansatta av tredimensionella ramstrukturer, vilket kan underlätta införande och extraktion av natriumjoner, och är idealiska katodmaterial för natriumjonbatterier. Materialet kan ge en teoretisk specifik kapacitet på 170 mAh/g med god cykelstabilitet. Dess låga cykelstabilitet och hastighetsförmåga i elektrokemiska tester begränsar dock ofta dess praktiska tillämpning i Na-jonbatterier. Det främsta skälet till att påverka dess elektrokemiska prestanda är att ett stort antal lediga platser och koordinationsvatten förekommer i materialets kristallstruktur, som upptar många elektrokemiska reaktionsställen, vilket minskar materialets specifika kapacitet. 

Samtidigt kommer förekomsten av vakanser också att leda till att strukturen kollapsar på grund av migration av natriumjoner, och det koordinerade vattnet i strukturen minskar materialets elektriska ledningsförmåga. I praktiska tillämpningar optimerar forskare dess fysikaliska och elektrokemiska egenskaper genom att modifiera den. , och utvärderingen av den elektroniska konduktiviteten vid materialänden kan användas som en effektiv utvärderingsmetod. Figur 5 visar testresultaten av resistivitet och elektrisk konduktivitet för fyra preussiska blå material, av vilka PB-2 är modifierad på basis av PB-1 och PB-4 är modifierad på basis av PB-3. Av frekvenstestresultaten kan man se att PB-1, PB-3>PB-2>PB-4, de två modifierade materialen har bättre ledningsförmåga.

I produktionsprocessen av litiumjonbatterier har komprimeringsdensiteten ett stort inflytande på batteriets prestanda. Packningsdensiteten är nära relaterad till specifik kapacitet, effektivitet, internt motstånd och battericykelprestanda. Figur 6 visar komprimeringsdensitetstestresultaten för de fyra preussiska materialen, PB-1>PB-3>PB-4>PB-2, packningsdensiteten för de två modifierade materialen under de nuvarande testförhållandena visade inte Bättre, det kan ses att i själva forsknings- och utvecklingsarbetet är det nödvändigt att heltäckande utvärdera materialets övergripande prestanda genom att kombinera olika medel, för att äntligen få ett material med bättre övergripande prestanda.

Figur 5. (A) Resistivitetstestresultaten för fyra preussiska blåliknande material;

(B) Konduktivitetstestresultat av fyra preussiska blåliknande material

Figur 6. Testresultat för packningsdensitet för fyra preussiska blåliknande material

Hårda kolmaterial anses vara de mest lovande anodmaterialen för utvecklingen av natriumjonbatterier. Forskare har förbättrat hastighetsförmågan genom att kontrollera morfologin hos hårda kolmaterial, introducera porstrukturer eller konstruera tredimensionella inline-strukturer i hårda kolmaterial. Genom att kontrollera de olika karboniseringsprocesserna kan mikrostrukturen hos hårda kolmaterial, särskilt den grafitliknande mikrokristallina strukturen, justeras för att förbättra den termodynamiska processen för natriumjoninförande och öka materialets lagringskapacitet för natrium [4]. 

Resistivitets- och konduktivitetstestresultaten för de fyra hårda kolmaterialen som valts i detta dokument visas i figur 7 A och B. Från konduktivitetstestresultaten, HC-1>HC-4>HC-2>HC-3, nämligen HC-1 visar bättre elektrisk ledningsförmåga; resultaten av komprimerad densitetstest för de fyra materialen visas i figur 8. Från komprimerade densitetstestresultaten, HC-4>HC-1>HC-2>HC-3, fyra Det finns tydliga skillnader mellan olika material; skillnaderna i elektrisk ledningsförmåga och packningsdensitet mellan material är relaterade till deras process, kristallmorfologi, inre struktur och yttillstånd.

Figur 7. (A) Resistivitetstestresultaten för fyra hårda kolmaterial;

(B) Konduktivitetstestresultat av fyra hårda kolmaterial

Figur 8. Testresultat av komprimeringsdensitet av fyra hårda kolmaterial

3. Sammanfattning

I detta dokument användes utrustningen för pulverresistens och kompakteringsdensitet (PRCD3100) för att detektera skillnaden i elektrisk ledningsförmåga och packningsdensitet mellan det positiva elektrodmaterialet preussiskt blått och det negativa elektrodmaterialet hårt kol för natriumjonbatterier. Testresultaten visar att skillnaden mellan olika material tydligt kan urskiljas. Som en effektiv metod för att testa materials fysikaliska egenskaper hjälper den utvecklare att snabbt utvärdera skillnaderna i elektrisk ledningsförmåga och packningsdensitet på materialnivå.

Referenser

[1] Chen J, Wei L, Mahmood A, et al. Preussisk blått, dess analoger och deras härledda material för elektrokemisk energilagring och omvandling - ScienceDirect[J]. Energilagringsmaterial, 2020, 25:585-612.

[2] Lee J， Risthaus T, Wang J, et al. Effekten av Sn-substitution på strukturen och syreaktiviteten hos Na_0,67I_0,33Mn_0,67O₂ katodmaterial för natriumjonbatterier[J]. Journal of Power Sources, 2019, 449:227554.

[3] Yin X, Lu Z, Wang J, et al. Enabling Fast Na⁺ Överföringskinetik i hela spänningsregionen för hårdkolanoder för ultrahög lagring av natrium[J]. Avancerat material, 2022.

[4] Wu Junda, Zhao Yabin, Zhang Fuming. Forskningsframsteg av hårda kolmaterial som anodmaterial för rumstempererade natriumjonbatterier [J]. Shandong Chemical Industry, 2019, 48(9):3.