Leitfähigkeits- und Verdichtungsdichtetest von Na-Ionen-positiven und -negativen Materialien
Natrium und Lithium gehören zur gleichen Elementfamilie und ihre chemischen Eigenschaften sind ähnlich. Allerdings hat Natrium im Vergleich zu Lithium offensichtliche Vorteile hinsichtlich der Ressourcenreserven und der Kosten. Gleichzeitig können Natrium-Ionen-Akkus schnell geladen und entladen werden. Der Prozess ist der gleiche wie bei Lithiumbatterien, was ihn zu einem potenziellen Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien macht und voraussichtlich die nächste Generation kommerzieller Energiespeichergeräte werden wird. Mit der schrittweisen Weiterentwicklung der Natrium-Ionen-Batterieforschung wurden Durchbrüche bei positiven und negativen Energiespeichermaterialien für Natrium-Ionen-Batterien erzielt. Zu den positiven Elektrodenmaterialien für Natriumionenbatterien gehören hauptsächlich Oxide, Polyanionen, Berliner Blau und organische Stoffe. ; Zu den Materialien für negative Elektroden gehören hauptsächlich kohlenstoffbasierte, titanbasierte, organische,
Berliner Blau (PB) hat als repräsentatives Material für metallorganische Gerüste (MOFs) bei der Erforschung von Natriumionen-Kathodenmaterialien aufgrund seiner geringen Kosten, des einfachen Herstellungsprozesses und der hohlen Gerüststruktur Aufmerksamkeit erregt. Studien haben gezeigt, dass von PB abgeleitete Nanomaterialien einige ihrer Eigenschaften erben können und große Oberflächen, miteinander verbundene Poren und abgestufte Porengrößen aufweisen, was die Ladungsübertragung bei der Verwendung in Energiespeicher- und -umwandlungssystemen erleichtern kann. Durch Anpassung der Synthesebedingungen (z. B. Temperatur und Atmosphäre) können Nanomaterialien mit idealer Struktur und Eigenschaften erhalten werden, die im Bereich der Energiespeicherung vielfältig eingesetzt werden können [1]. Abbildung 1 ist ein schematisches Diagramm der Kristallstruktur von Berliner Blau und seinen Derivaten. 2 ist das REM-Bild von Berliner Blau und seinen Derivaten.
Abbildung 1. Schematische Darstellung der Kristallstruktur von Berliner Blau und seinen Derivaten[1]
Abbildung 2. REM-Aufnahme von Berliner Blau und seinen Derivaten:
(a) Von0,67In0,33Mn0,67Ö2 (b) Und0,67In0,33Mn0,66Sn0,01Ö2 (c) Und0,67In0,33Mn0,64Sn0,03Ö2 Und(d) Von0,67In0,33Mn0,62Sn0,05Ö2[2]
Unter den Anodenmaterialien verfügen Anoden auf Kohlenstoffbasis nicht nur über eine Plattform mit geringer Natriuminterkalation, eine hohe Kapazität und eine gute Zyklenstabilität, sondern bieten auch die Vorteile reichlich vorhandener Ressourcen und einfacher Herstellung und sind derzeit die vielversprechendsten Anodenmaterialien für die Natriumspeicherung. Unter ihnen sind harte Kohlenstoffmaterialien aufgrund ihrer Vorteile wie großer Zwischenschichtabstand, niedrige Kosten, einfache Synthesemethode und die Möglichkeit, erneuerbare Ressourcen als Vorläufer zu verwenden, ideale Materialien für die Kommerzialisierung geworden. Abbildung 3 ist ein schematisches Diagramm der Synthese von Hartkohlenstoff und ein Charakterisierungsdiagramm der mikroskopischen Morphologie und Struktur.
Abb. 3. Schematische Darstellung der Synthese von Hartkohlenstoff und Diagramm zur Charakterisierung der Mikrostruktur[3]
In dieser Arbeit wurden vier Materialien aus Preußischblau (PB) und Hartkohlenstoff (HC) ausgewählt und die Unterschiede zwischen den Materialien durch Testen der elektrischen Leitfähigkeit und Verdichtungsdichte unter verschiedenen Druckbedingungen bewertet.
1. Testmethode
1.1 Der PRCD3100 (IEST) wird für vier Arten von Preußischblau-Materialien (PB-1/PB-2/PB-3/PB-4) und vier Arten von Hartkohlenstoff (HC-1/HC-2/HC-3) verwendet /HC-4)-Materialien wurden auf elektrische Leitfähigkeit und Verdichtungsdichte getestet. Unter ihnen wurden Preußisch-Blau-Materialien im Zwei-Sonden-Modus und harte Kohlenstoffmaterialien im Vier-Sonden-Modus getestet. Die Testausrüstung ist in Abbildung 2 dargestellt.
Testparameter: Der angelegte Druckbereich beträgt 10–200 MPa, das Intervall beträgt 20 MPa und der Druck wird 10 Sekunden lang aufrechterhalten;
Abbildung 4. (a) Aussehen von PRCD3100
(b) Strukturdiagramm von PRCD3100
2. Testergebnisse und Analyse
Berliner Blau (PB) und seine Analoga verfügen über Kanäle, die aus dreidimensionalen Gerüststrukturen bestehen, die das Einfügen und Extrahieren von Natriumionen erleichtern können und ideale Kathodenmaterialien für Natriumionenbatterien sind. Das Material kann eine theoretische spezifische Kapazität von 170 mAh/g bei guter Zyklenstabilität bereitstellen. Seine geringe Zyklenstabilität und Ratenfähigkeit in elektrochemischen Tests schränken jedoch häufig seine praktische Anwendung in Na-Ionen-Batterien ein. Der Hauptgrund für die Beeinträchtigung seiner elektrochemischen Leistung besteht darin, dass in der Kristallstruktur des Materials eine große Anzahl von Leerstellen und Koordinationswasser auftritt, die viele elektrochemische Reaktionsstellen besetzen und die spezifische Kapazität des Materials verringern.
Gleichzeitig führt das Vorhandensein von Leerstellen auch dazu, dass die Struktur aufgrund der Wanderung von Natriumionen zusammenbricht und das koordinierte Wasser in der Struktur die elektrische Leitfähigkeit des Materials verringert. In praktischen Anwendungen optimieren Forscher seine physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften, indem sie es modifizieren. , und die Bewertung der elektronischen Leitfähigkeit am Materialende kann als effektive Bewertungsmethode verwendet werden. Abbildung 5 zeigt die Testergebnisse des spezifischen Widerstands und der elektrischen Leitfähigkeit von vier Preußischblau-Materialien, von denen PB-2 auf Basis von PB-1 und PB-4 auf Basis von PB-3 modifiziert wurde. Aus den Ratentestergebnissen ist ersichtlich, dass PB-1, PB-3>PB-2>PB-4, die beiden modifizierten Materialien haben eine bessere Leitfähigkeit.
Im Produktionsprozess von Lithium-Ionen-Power-Batterien hat die Verdichtungsdichte einen großen Einfluss auf die Leistung der Batterie. Die Verdichtungsdichte hängt eng mit der spezifischen Kapazität, der Effizienz, dem Innenwiderstand und der Leistung des Batteriezyklus zusammen. Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse des Verdichtungsdichtetests der vier preußischen Materialien PB-1>PB-3>PB-4>PB-2 zeigte, dass die Verdichtungsdichte der beiden modifizierten Materialien unter den aktuellen Testbedingungen nicht besser war. Es ist ersichtlich, dass in der eigentlichen Forschungs- und Entwicklungsarbeit eine umfassende Bewertung der Gesamtleistung des Materials durch Kombination verschiedener erforderlich ist Mittel, um schließlich ein Material mit besserer Gesamtleistung zu erhalten.
Abbildung 5. (A) Die Ergebnisse des Widerstandstests von vier preußischblau-ähnlichen Materialien;
(B) Leitfähigkeitstestergebnisse von vier preußischblau-ähnlichen Materialien
Abbildung 6. Ergebnisse des Verdichtungsdichtetests für vier Preußischblau-ähnliche Materialien
Harte Kohlenstoffmaterialien gelten als die vielversprechendsten Anodenmaterialien für die Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien. Forscher haben die Geschwindigkeitsfähigkeit verbessert, indem sie die Morphologie harter Kohlenstoffmaterialien kontrollierten, Porenstrukturen einführten oder dreidimensionale Inline-Strukturen in harten Kohlenstoffmaterialien konstruierten. Durch die Steuerung der verschiedenen Karbonisierungsprozesse kann die Mikrostruktur harter Kohlenstoffmaterialien, insbesondere die graphitähnliche mikrokristalline Struktur, angepasst werden, um den thermodynamischen Prozess der Natriumioneneinfügung zu verbessern und die Natriumspeicherkapazität des Materials zu erhöhen [4].
Die Ergebnisse des Widerstands- und Leitfähigkeitstests der vier in diesem Dokument ausgewählten Hartkohlenstoffmaterialien sind in Abbildung 7 A und B dargestellt. Aus den Ergebnissen des Leitfähigkeitstests: HC-1>HC-4>HC-2>HC-3, nämlich HC-1, zeigt eine bessere elektrische Leitfähigkeit; Die Testergebnisse der Kompaktdichte der vier Materialien sind in Abbildung 8 dargestellt. Aus den Testergebnissen der Kompaktdichte, HC-4>HC-1>HC-2>HC-3, vier Es gibt offensichtliche Unterschiede zwischen verschiedenen Materialien; Die Unterschiede in der elektrischen Leitfähigkeit und Verdichtungsdichte zwischen Materialien hängen mit ihrem Prozess, ihrer Kristallmorphologie, ihrer inneren Struktur und ihrem Oberflächenzustand zusammen.
Abbildung 7. (A) Die Ergebnisse des Widerstandstests von vier Hartkohlenstoffmaterialien;
(B) Leitfähigkeitstestergebnisse von vier Hartkohlenstoffmaterialien
Abbildung 8. Ergebnisse des Verdichtungsdichtetests von vier Hartkohlenstoffmaterialien
3. Zusammenfassung
In dieser Arbeit wurde das Pulverwiderstands- und Verdichtungsdichtegerät (PRCD3100) verwendet, um den Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit und Verdichtungsdichte zwischen dem positiven Elektrodenmaterial Preußischblau und dem negativen Elektrodenmaterial Hartkohlenstoff für Natriumionenbatterien zu ermitteln. Die Testergebnisse zeigen, dass der Unterschied zwischen verschiedenen Materialien deutlich unterschieden werden kann. Als effektive Methode zum Testen der physikalischen Eigenschaften von Materialien hilft es Entwicklern, die Unterschiede in der elektrischen Leitfähigkeit und Verdichtungsdichte auf Materialebene schnell zu bewerten.
Verweise
[1] Chen J, Wei L, Mahmood A, et al. Berliner Blau, seine Analoga und daraus abgeleitete Materialien für die elektrochemische Energiespeicherung und -umwandlung – ScienceDirect[J]. Energiespeichermaterialien, 2020, 25:585-612.
[2] Lee J，Risthaus T., Wang J. et al. Der Einfluss der Sn-Substitution auf die Struktur und Sauerstoffaktivität von Na0,67In0,33Mn0,67Ö2 Kathodenmaterialien für Natriumionenbatterien[J]. Journal of Power Sources, 2019, 449:227554.
[3] Yin X, Lu Z, Wang J, et al. Enabling Fast Na+ Transferkinetik im gesamten Spannungsbereich von Hartkohlenstoffanoden für die Natriumspeicherung mit ultrahoher Geschwindigkeit[J]. Fortgeschrittene Materialien, 2022.
[4] Wu Junda, Zhao Yabin, Zhang Fuming. Forschungsfortschritt von harten Kohlenstoffmaterialien als Anodenmaterialien für Natriumionenbatterien bei Raumtemperatur [J]. Shandong Chemical Industry, 2019, 48(9):3.