Kiểm tra độ dẫn điện và mật độ nén của vật liệu dương và âm Na-ion
Natri và liti thuộc cùng một họ các nguyên tố và tính chất hóa học của chúng tương tự nhau. Tuy nhiên, so với lithium, natri có lợi thế rõ ràng về dự trữ tài nguyên và chi phí. Đồng thời, pin natri-ion có thể được sạc và xả nhanh chóng. Quy trình này cũng giống như quy trình của pin lithium, khiến nó trở thành vật liệu thay thế tiềm năng cho pin lithium-ion và dự kiến sẽ trở thành thế hệ thiết bị lưu trữ năng lượng thương mại tiếp theo. Với sự tiến bộ dần dần của nghiên cứu pin natri-ion, các vật liệu lưu trữ năng lượng tích cực và tiêu cực đã được tạo ra cho pin natri-ion. Các vật liệu điện cực dương cho pin natri-ion chủ yếu bao gồm oxit, polyanion, màu xanh Prussian và chất hữu cơ. ; Vật liệu điện cực âm chủ yếu bao gồm carbon, titan, hữu cơ,
Màu xanh Phổ (PB) làm vật liệu đại diện cho khung hữu cơ kim loại (MOF) trong nghiên cứu vật liệu catốt ion natri đã thu hút sự chú ý do chi phí thấp, quy trình chuẩn bị dễ dàng và cấu trúc khung rỗng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu nano có nguồn gốc từ PB có thể kế thừa một số đặc điểm của chúng, thể hiện diện tích bề mặt lớn, lỗ xốp liên kết với nhau và kích thước lỗ xốp được phân loại, có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền điện tích khi được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ và chuyển đổi năng lượng. Bằng cách điều chỉnh các điều kiện tổng hợp (như nhiệt độ và khí quyển), có thể thu được vật liệu nano có cấu trúc và tính chất lý tưởng, có thể được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng [1]. Hình 1 là sơ đồ cấu trúc tinh thể của màu xanh Prussian và các dẫn xuất của nó. 2 là ảnh SEM của màu xanh Prussian và các dẫn xuất của nó.
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc tinh thể của màu xanh Prussian và các dẫn xuất của nó[1]
Hình 2. Ảnh SEM của màu xanh Prussian và các dẫn xuất của nó:
(a) Bởi0,67TRONG0,33mn0,67Ô2 (ban nhạc0,67TRONG0,33mn0,66ốc0,01Ô2 (c) Và0,67TRONG0,33mn0,64ốc0,03Ô2 Và(d) Bởi0,67TRONG0,33mn0,62ốc0,05Ô2[2]
Trong số các vật liệu cực dương, cực dương dựa trên carbon không chỉ có nền tảng xen kẽ natri thấp, công suất cao và độ ổn định chu kỳ tốt mà còn có ưu điểm là nguồn tài nguyên phong phú và cách chuẩn bị đơn giản, và hiện là vật liệu cực dương lưu trữ natri hứa hẹn nhất. Trong số đó, vật liệu carbon cứng đã trở thành vật liệu lý tưởng để thương mại hóa do những ưu điểm của chúng như khoảng cách giữa các lớp lớn, chi phí thấp, phương pháp tổng hợp đơn giản và khả năng sử dụng tài nguyên tái tạo làm tiền chất. Hình 3 là sơ đồ tổng hợp cacbon cứng và sơ đồ đặc tính của hình thái và cấu trúc vi mô.
Hình 3. Sơ đồ tổng hợp carbon cứng và sơ đồ đặc tính cấu trúc vi mô[3]
Trong bài báo này, bốn vật liệu xanh Prussian (PB) và carbon cứng (HC) đã được chọn và sự khác biệt giữa các vật liệu được đánh giá bằng cách kiểm tra độ dẫn điện và mật độ nén trong các điều kiện áp suất khác nhau.
1. Phương pháp kiểm tra
1.1 PRCD3100 (IEST) được sử dụng cho bốn loại vật liệu xanh Prussian (PB-1/PB-2/PB-3/PB-4) và bốn loại carbon cứng (HC-1/HC-2/HC-3 /HC-4) đã được kiểm tra độ dẫn điện và mật độ nén. Trong số đó, vật liệu xanh Phổ được thử nghiệm ở chế độ hai đầu dò và vật liệu carbon cứng được thử nghiệm ở chế độ bốn đầu dò. Thiết bị thử nghiệm được thể hiện trong Hình 2. .
Thông số kiểm tra: phạm vi áp suất được áp dụng là 10-200MPa, khoảng thời gian là 20MPa và áp suất được duy trì trong 10 giây;
Hình 4. (a) Bề ngoài của PRCD3100
(b) Sơ đồ cấu trúc của PRCD3100
2 .Kết quả kiểm tra và phân tích
Xanh Prussian (PB) và các chất tương tự của nó có các kênh bao gồm các cấu trúc khung ba chiều, có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc chèn và chiết các ion natri, đồng thời là vật liệu catốt lý tưởng cho pin ion natri. Vật liệu này có thể cung cấp dung lượng cụ thể theo lý thuyết là 170 mAh/g với độ ổn định theo chu kỳ tốt. Tuy nhiên, khả năng tốc độ và độ ổn định chu kỳ thấp của nó trong các thử nghiệm điện hóa thường hạn chế ứng dụng thực tế của nó trong pin Na-ion. Lý do chính ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa của nó là do cấu trúc tinh thể của vật liệu xuất hiện một số lượng lớn các lỗ trống và nước phối hợp, chiếm nhiều vị trí phản ứng điện hóa, làm giảm khả năng cụ thể của vật liệu.
Đồng thời, sự tồn tại của các chỗ trống cũng sẽ khiến cấu trúc bị sụp đổ do sự di chuyển của các ion natri và nước phối hợp trong cấu trúc làm giảm tính dẫn điện của vật liệu. Trong các ứng dụng thực tế, các nhà nghiên cứu tối ưu hóa các đặc tính vật lý và điện hóa của nó bằng cách sửa đổi nó. và việc đánh giá độ dẫn điện tử ở đầu vật liệu có thể được sử dụng như một phương pháp đánh giá hiệu quả. Hình 5 cho thấy kết quả thử nghiệm điện trở suất và độ dẫn điện của bốn vật liệu xanh Prussian, trong đó PB-2 được cải biến trên cơ sở PB-1 và PB-4 được cải biến trên cơ sở PB-3. Từ kết quả kiểm định tỷ lệ có thể thấy PB-1, PB-3>PB-2>PB-4, hai vật liệu cải tiến có độ dẫn điện tốt hơn.
Trong quá trình sản xuất pin lithium-ion, mật độ nén có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin. Mật độ nén có liên quan chặt chẽ đến công suất cụ thể, hiệu quả, điện trở trong và hiệu suất chu kỳ pin. Hình 6 cho thấy kết quả kiểm tra mật độ nén của bốn vật liệu Phổ, PB-1>PB-3>PB-4>PB-2, mật độ nén của hai vật liệu đã sửa đổi trong điều kiện thử nghiệm hiện tại không cho thấy Tốt hơn, có thể thấy rằng trong công việc nghiên cứu và phát triển thực tế, cần đánh giá toàn diện hiệu suất tổng thể của vật liệu bằng cách kết hợp nhiều loại vật liệu khác nhau. có nghĩa là, để cuối cùng có được một vật liệu có hiệu suất tổng thể tốt hơn.
Hình 5. (A) Kết quả kiểm tra điện trở suất của bốn vật liệu giống màu xanh Phổ;
(B) Kết quả kiểm tra độ dẫn điện của bốn vật liệu giống màu xanh Phổ
Hình 6. Kết quả kiểm tra mật độ nén cho bốn vật liệu giống như màu xanh Phổ
Vật liệu carbon cứng được coi là vật liệu cực dương hứa hẹn nhất để phát triển pin natri-ion. Các nhà nghiên cứu đã cải thiện khả năng tốc độ bằng cách kiểm soát hình thái của vật liệu cacbon cứng, giới thiệu cấu trúc lỗ rỗng hoặc xây dựng cấu trúc nội tuyến ba chiều trong vật liệu cacbon cứng. Bằng cách kiểm soát các quá trình cacbon hóa khác nhau, cấu trúc vi mô của vật liệu cacbon cứng, đặc biệt là cấu trúc vi tinh thể giống than chì, có thể được điều chỉnh để cải thiện quá trình nhiệt động lực học của việc chèn ion natri và tăng khả năng lưu trữ natri của vật liệu [4].
Kết quả kiểm tra điện trở suất và độ dẫn điện của bốn vật liệu carbon cứng được chọn trong bài viết này được thể hiện trong Hình 7 A và B. Từ kết quả kiểm tra độ dẫn điện, HC-1>HC-4>HC-2>HC-3, cụ thể là HC -1 cho thấy tính dẫn điện tốt hơn; kết quả kiểm tra mật độ nén của bốn vật liệu được thể hiện trong Hình 8. Từ kết quả kiểm tra mật độ nén, HC-4>HC-1>HC-2>HC-3, bốn Có sự phân biệt rõ ràng giữa các vật liệu khác nhau; sự khác biệt về độ dẫn điện và mật độ nén giữa các vật liệu có liên quan đến quá trình, hình thái tinh thể, cấu trúc bên trong và trạng thái bề mặt của chúng.
Hình 7. (A) Kết quả kiểm tra điện trở suất của bốn vật liệu cacbon cứng;
(B) Kết quả kiểm tra độ dẫn điện của bốn vật liệu cacbon cứng
Hình 8. Kết quả kiểm tra mật độ nén của bốn vật liệu carbon cứng
3. Tóm tắt
Trong bài báo này, thiết bị kháng bột & mật độ nén (PRCD3100) được sử dụng để phát hiện sự khác biệt về độ dẫn điện và mật độ nén giữa vật liệu điện cực dương Phổ xanh và vật liệu điện cực âm carbon cứng cho pin natri ion. Kết quả thử nghiệm cho thấy có thể phân biệt rõ ràng sự khác biệt giữa các vật liệu khác nhau. Là một phương pháp hiệu quả để kiểm tra các tính chất vật lý của vật liệu, nó giúp các nhà phát triển nhanh chóng đánh giá sự khác biệt về độ dẫn điện và mật độ nén ở cấp độ vật liệu.
Người giới thiệu
[1] Chen J, Wei L, Mahmood A, et al. Xanh Phổ, các chất tương tự và vật liệu dẫn xuất của chúng để lưu trữ và chuyển đổi năng lượng điện hóa - ScienceDirect[J]. Vật liệu lưu trữ năng lượng, 2020, 25:585-612.
[2] Lý J，Risthaus T , Wang J , et al. Ảnh hưởng của sự thay thế Sn đến cấu trúc và hoạt độ oxy của Na0,67TRONG0,33mn0,67Ô2 vật liệu cực âm cho pin ion natri[J]. Tạp chí Nguồn điện, 2019, 449:227554.
[3] Yin X, Lu Z, Wang J, và cộng sự Kích hoạt Fast Na+ Chuyển động học trong toàn bộ vùng điện áp của cực dương carbon cứng để lưu trữ natri tốc độ cực cao[J]. Vật liệu nâng cao, 2022.
[4] Wu Junda, Zhao Yabin, Zhang Fuming. Tiến độ nghiên cứu vật liệu cacbon cứng làm vật liệu anot cho pin natri-ion nhiệt độ phòng [J]. Công nghiệp Hóa chất Sơn Đông, 2019, 48(9):3.