I. 나트륨 이온 전지 개요
나트륨 이온 전지는 양극과 음극 사이의 나트륨 이온 이동을 통해 충전과 방전을 완료하는 배터리 유형으로, 리튬 이온 전지와 유사한 작동 원리를 가지고 있습니다. 나트륨 이온 전지는 주로 양극, 음극,한 전해질, 아분리 기호충전 시에는 나⁺가 양극에서 추출되어 분리막을 통과한 후 음극으로 이동하여 전자와 결합합니다. 방전 시에는 나⁺가 음극에서 추출되어 분리막을 통과하여 양극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 음극에서 양극으로 이동합니다. 마지막으로 양극에서 산화환원 반응이 일어나 나트륨이 풍부한 상태로 돌아갑니다.
나트륨 이온 전지의 충전 및 방전 개략도
2세. 세 가지 기술 경로
리튬 이온 배터리와 비교했을 때, 나트륨 이온 배터리에서 가장 큰 변화는 양극 소재에 있습니다. 양극 소재의 성능은 배터리의 에너지 밀도, 안전성, 그리고 사이클 수명을 결정하는 핵심 요소이기도 합니다. 나트륨 이온은 리튬 이온보다 질량과 반지름이 크기 때문에 이온 확산 속도가 낮습니다. 이는 배터리 성능에서 이론 용량과 반응 속도론이 다소 낮다는 것을 의미하며, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 양극 소재의 획기적인 발전이 필요합니다. 현재 양극 소재의 기술적 방향은 아직 결정되지 않았지만, 층상 산화물(겹겹이 쌓인 산화물)을 이용한 양극 소재 개발이 활발히 진행되고 있습니다., 프러시안 블루 유사체, 그리고 폴리음이온 화합물은세 개의 유망한 노선이 눈에 띄게 발전할 것으로 기대됩니다.
나2세. 층상 산화물
층상 산화물의 일반식은 NaxMO2이며, 여기서 M은 바나듐(V), 크롬(크), 망간(민), 철(철), 코발트(주식회사), 니켈(니), 구리(구리) 등과 같은 전이 금속 원소를 나타냅니다. 이 중 자원에 풍부한 망간(민)과 철(철)이 가장 일반적입니다. 전이 금속 산화물은 층상과 터널 구조의 두 가지 유형으로 더 분류할 수 있습니다. 나트륨 함량이 낮으면(x<0.5) 터널 구조가 주로 존재합니다. 나트륨 함량이 비교적 높으면 일반적으로 층상 구조가 지배적이며, 층 사이에 Na+가 위치하여 MO2 층과 나트륨 층이 번갈아 배열된 층상 구조를 형성합니다.
4.. 프러시안 블루 유사체
프러시안 블루 유사체의 일반식은 낙스마[엠비(중국)6]·zH2O입니다. MA와 MB는 전이 금속 원소, 주로 철(철), 코발트(주식회사), 니켈(니), 망간(민) 등을 나타냅니다. 프러시안 블루 화합물은 독특한 개방형 골격과 3차원 거대 다공성 구조를 가지고 있어 나트륨 이온의 이동 및 저장에 적합합니다. 철 기반 화합물의 장점은 다음과 같습니다.프러시안 블루 망간 기반 프러시안 블루는 풍부한 원료, 저렴한 비용, 높은 비용량, 높은 속도 성능, 그리고 우수한 전기화학적 안정성이라는 장점을 가지고 있습니다. 단점으로는, 현재 생산 방식이 주로 공침법을 채택함에 따라 결정수와 철(중국)6의 구조적 결함이 자주 발생합니다. 결정수는 결정 내 나트륨 저장 공간과 나트륨 이온의 탈리 채널을 점유하기 쉬워, 재료 내 나트륨 이온 함량 감소 및 나트륨 이온 이동 속도 감소를 초래합니다. 철(중국)6의 구조적 결함과 결정수는 재료의 충방전 과정에서 구조적 붕괴를 유발하여 재료의 사이클 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
프러시안 블루 화합물의 생산 공정에는 주로 공침법과 수열 합성법이 포함됩니다. 그중 공침법은 가장 일반적인 방법으로, 제조 공정이 간단하고 고온 처리가 필요 없으며 순수한 상 생성물을 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 현재 공침법은 여전히 두 가지 문제점을 가지고 있습니다. 하나는 제조 시간이 길다는 것입니다. 두 번째는 생산량이 낮다는 것입니다. 수열 합성법은 공침법과 많은 유사점을 공유합니다. 반응 시간이 짧고 물질 입자의 분포가 균일하다는 장점이 있습니다. 그러나 현재 수열 합성법은 세 가지 단점을 가지고 있습니다. 첫째, 반응 공정이 폐쇄된 시스템에서 진행되어 반응 공정을 직접 관찰할 수 없습니다. 둘째, 고온 및 고압 단계가 있어 생산 장비에 대한 요구 사항이 높습니다. 셋째, 공정이 번거롭고 산업 생산에 적합하지 않습니다.
V. 폴리음이온 화합물
다중음이온 화합물의 일반식은 낙스마이[(XOm)n-]z이며, 여기서 M은 원자가 상태가 가변적인 금속 이온이고 X는 P, S, V와 같은 원소입니다. 이 화합물은 안정성, 사이클 성능 및 안전성이 우수하다는 장점이 있지만, 비용량이 낮고 전도도가 낮은 문제가 있습니다. 다양한 구조에 따라 올리빈 구조의 인산염, 나시콘(나+ 고속 이온 전도체) 화합물, 인산염 화합물로 분류할 수 있습니다.
나트륨 이온 전지용 양극 소재인 올리빈 구조의 NaFePO4는 리튬 철 인산염과 제조 방법이 유사합니다. 이론 용량은 154mAh/g이고 작동 전압은 2.9V입니다. 그러나 자체 전기 전도도가 상대적으로 낮고 일차원 나+ 확산 채널만 있어 실제 성능에 영향을 미칩니다. 현재 전기 전도도는 탄소 코팅이나 이온 치환을 통해 향상되고 있습니다. 나시콘 구조 화합물은 약 120mAh/g의 이론 비용량과 약 3.3V의 작동 전압을 갖는 고속 이온 전도체입니다. 3D 골격 구조, 높은 이온 확산 속도, 그리고 우수한 동역학적 및 사이클 안정성을 특징으로 합니다. 그러나 5가 V가 도입되면 종종 독성을 나타내어 인체 건강에 큰 위협이 되므로 대규모 사용이 어느 정도 제한됩니다.
다양한 폴리음이온 음극 재료의 결정 구조
