Test de conductivité et de densité de compactage des matériaux positifs et négatifs aux ions Na
Le sodium et le lithium appartiennent à la même famille d'éléments et leurs propriétés chimiques sont similaires. Cependant, par rapport au lithium, le sodium présente des avantages évidents en termes de réserves de ressources et de coût. Dans le même temps, les batteries sodium-ion peuvent être rapidement chargées et déchargées. Le processus est le même que celui des batteries au lithium, ce qui en fait un substitut potentiel aux batteries lithium-ion et devrait devenir la prochaine génération de dispositifs de stockage d'énergie commerciaux. Avec l'avancement progressif de la recherche sur les batteries sodium-ion, des percées ont été réalisées dans les matériaux de stockage d'énergie positive et négative pour les batteries sodium-ion. Les matériaux d'électrode positive pour les batteries sodium-ion comprennent principalement des oxydes, des polyanions, du bleu de Prusse et des matières organiques. ; Les matériaux d'électrode négative comprennent principalement à base de carbone, à base de titane, organique,
Le bleu de Prusse (PB) en tant que matériau représentatif des cadres organométalliques (MOF) dans la recherche de matériaux de cathode à ions sodium a attiré l'attention en raison de son faible coût, de son processus de préparation facile et de sa structure de cadre creux. Des études ont montré que les nanomatériaux dérivés du PB peuvent hériter de certaines de leurs caractéristiques, présentant de grandes surfaces, des pores interconnectés et des tailles de pores graduées, ce qui peut faciliter le transfert de charge lorsqu'il est utilisé dans des systèmes de stockage et de conversion d'énergie. En ajustant les conditions de synthèse (telles que la température et l'atmosphère), des nanomatériaux avec une structure et des propriétés idéales peuvent être obtenus, qui peuvent être largement utilisés dans le domaine du stockage de l'énergie [1]. La figure 1 est un diagramme schématique de la structure cristalline du bleu de Prusse et de ses dérivés. 2 est l'image MEB du bleu de Prusse et de ses dérivés.
Figure 1. Schéma de principe de la structure cristalline du bleu de Prusse et de ses dérivés[1]
Figure 2. Image MEB du bleu de Prusse et de ses dérivés :
(a) Par0,67Dans0,33Mn0,67O2 (groupe0,67Dans0,33Mn0,66Sn0,01O2 (c) Et0,67Dans0,33Mn0,64Sn0,03O2 et(d) Par0,67Dans0,33Mn0,62Sn0,05O2[2]
Parmi les matériaux d'anode, les anodes à base de carbone ont non seulement une plate-forme d'intercalation à faible teneur en sodium, une capacité élevée et une bonne stabilité de cycle, mais présentent également les avantages de ressources abondantes et d'une préparation simple, et sont actuellement les matériaux d'anode de stockage de sodium les plus prometteurs. Parmi eux, les matériaux en carbone dur sont devenus des matériaux idéaux pour la commercialisation en raison de leurs avantages tels qu'un grand espacement entre les couches, un faible coût, une méthode de synthèse simple et la possibilité d'utiliser des ressources renouvelables comme précurseurs. La figure 3 est un diagramme schématique de la synthèse du carbone dur et un diagramme de caractérisation de la morphologie et de la structure microscopiques.
Fig 3. Schéma de principe de la synthèse du carbone dur et du diagramme de caractérisation de la microstructure[3]
Dans cet article, quatre matériaux de bleu de Prusse (PB) et de carbone dur (HC) ont été sélectionnés, et les différences entre les matériaux ont été évaluées en testant la conductivité électrique et la densité de compactage dans différentes conditions de pression.
1. Méthode d'essai
1.1 Le PRCD3100 (IEST) est utilisé pour quatre types de matériaux bleu de Prusse (PB-1/PB-2/PB-3/PB-4) et quatre types de carbone dur (HC-1/HC-2/HC-3 /HC-4) ont été testés pour la conductivité électrique et la densité de compactage. Parmi eux, les matériaux au bleu de Prusse ont été testés en mode à deux sondes et les matériaux en carbone dur ont été testés en mode à quatre sondes. L'équipement d'essai est illustré à la figure 2. .
Paramètres de test : la plage de pression appliquée est de 10 à 200 MPa, l'intervalle est de 20 MPa et la pression est maintenue pendant 10 s ;
Figure 4. (a) Apparence du PRCD3100
(b) Schéma de structure du PRCD3100
2. Résultats des tests et analyse
Le bleu de Prusse (PB) et ses analogues ont des canaux composés de structures de charpente tridimensionnelles, qui peuvent faciliter l'insertion et l'extraction des ions sodium, et sont des matériaux de cathode idéaux pour les batteries aux ions sodium. Le matériau peut fournir une capacité spécifique théorique de 170 mAh/g avec une bonne stabilité au cyclage. Cependant, sa faible stabilité de cycle et sa capacité de vitesse dans les tests électrochimiques limitent souvent son application pratique dans les batteries Na-ion. La principale raison d'affecter ses performances électrochimiques est qu'un grand nombre de lacunes et d'eau de coordination apparaissent dans la structure cristalline du matériau, occupant de nombreux sites de réaction électrochimique, réduisant la capacité spécifique du matériau.
Dans le même temps, l'existence de lacunes entraînera également l'effondrement de la structure en raison de la migration des ions sodium, et l'eau coordonnée dans la structure réduit la conductivité électrique du matériau. Dans les applications pratiques, les chercheurs optimisent ses propriétés physiques et électrochimiques en le modifiant. , et l'évaluation de la conductivité électronique à l'extrémité du matériau peut être utilisée comme méthode d'évaluation efficace. La figure 5 montre les résultats des tests de résistivité et de conductivité électrique de quatre matériaux bleu de Prusse, dont PB-2 est modifié sur la base de PB-1, et PB-4 est modifié sur la base de PB-3. D'après les résultats des tests de débit, on peut voir que PB-1, PB-3>PB-2>PB-4, les deux matériaux modifiés ont une meilleure conductivité.
Dans le processus de production des batteries lithium-ion, la densité de compactage a une grande influence sur les performances de la batterie. La densité de compactage est étroitement liée à la capacité spécifique, à l'efficacité, à la résistance interne et aux performances du cycle de la batterie. La figure 6 montre les résultats des tests de densité de compactage des quatre matériaux prussiens, PB-1>PB-3>PB-4>PB-2, la densité de compactage des deux matériaux modifiés dans les conditions de test actuelles n'a pas montré Mieux, on peut voir que dans les travaux de recherche et développement réels, il est nécessaire d'évaluer de manière exhaustive les performances globales du matériau en combinant divers moyen, de manière à obtenir finalement un matériau avec de meilleures performances globales.
Figure 5. (A) Les résultats des tests de résistivité de quatre matériaux de type bleu de Prusse ;
(B) Résultats des tests de conductivité de quatre matériaux de type bleu de Prusse
Figure 6. Résultats des tests de densité de compactage pour quatre matériaux de type bleu de Prusse
Les matériaux en carbone dur sont considérés comme les matériaux d'anode les plus prometteurs pour le développement de batteries sodium-ion. Les chercheurs ont amélioré la capacité de vitesse en contrôlant la morphologie des matériaux en carbone dur, en introduisant des structures de pores ou en construisant des structures en ligne tridimensionnelles dans des matériaux en carbone dur. En contrôlant les différents processus de carbonisation, la microstructure des matériaux carbonés durs, en particulier la structure microcristalline de type graphite, peut être ajustée pour améliorer le processus thermodynamique d'insertion des ions sodium et augmenter la capacité de stockage du sodium du matériau [4].
Les résultats des tests de résistivité et de conductivité des quatre matériaux en carbone dur sélectionnés dans cet article sont illustrés à la figure 7 A et B. D'après les résultats des tests de conductivité, HC-1>HC-4>HC-2>HC-3, à savoir HC-1 présente une meilleure conductivité électrique ; les résultats des tests de densité compactée des quatre matériaux sont illustrés à la figure 8. D'après les résultats des tests de densité compactée, HC-4>HC-1>HC-2>HC-3, quatre Il existe des distinctions évidentes entre les différents matériaux ; les différences de conductivité électrique et de densité de compactage entre les matériaux sont liées à leur procédé, à la morphologie cristalline, à la structure interne et à l'état de surface.
Figure 7. (A) Les résultats des tests de résistivité de quatre matériaux en carbone dur ;
(B) Résultats des tests de conductivité de quatre matériaux en carbone dur
Figure 8. Résultats des tests de densité de compactage de quatre matériaux en carbone dur
3. Résumé
Dans cet article, l'équipement de résistance à la poudre et de densité de compactage (PRCD3100) a été utilisé pour détecter la différence de conductivité électrique et de densité de compactage entre le matériau d'électrode positive bleu de Prusse et le matériau d'électrode négative en carbone dur pour les batteries aux ions sodium. Les résultats des tests montrent que la différence entre les différents matériaux peut être clairement distinguée. En tant que méthode efficace pour tester les propriétés physiques des matériaux, elle aide les développeurs à évaluer rapidement les différences de conductivité électrique et de densité de compactage au niveau du matériau.
Les références
[1] Chen J, Wei L, Mahmood A, et al. Bleu de Prusse, ses analogues et leurs dérivés pour le stockage et la conversion d'énergie électrochimique - ScienceDirect[J]. Matériaux de stockage d'énergie, 2020, 25:585-612.
[2] Lee J.，Risthaus T, Wang J, et al. L'effet de la substitution Sn sur la structure et l'activité oxygène de Na0,67Dans0,33Mn0,67O2 matériaux de cathode pour batteries aux ions sodium[J]. Journal des sources d'alimentation, 2019, 449:227554.
[3] Yin X, Lu Z, Wang J, et al. Enabling Fast Na+ Cinétique de transfert dans la région de tension totale des anodes en carbone dur pour le stockage de sodium à très haut débit[J]. Matériaux avancés, 2022.
[4] Wu Junda, Zhao Yabin, Zhang Fuming. Progrès de la recherche sur les matériaux en carbone dur comme matériaux d'anode pour les batteries sodium-ion à température ambiante [J]. Industrie chimique du Shandong, 2019, 48(9):3.