1. نظرة عامة على بطاريات أيونات الصوديوم
بطاريات أيونات الصوديوم هي نوع من البطاريات يُكمل عملية الشحن والتفريغ بالاعتماد على حركة أيونات الصوديوم بين القطبين الموجب والسالب، بمبدأ عمل مشابه لمبدأ عمل بطاريات أيونات الليثيوم. تتكون بطارية أيونات الصوديوم بشكل أساسي من قطب موجب وقطب سالب.أ المنحل بالكهرباء، أفاصلأثناء الشحن، يُستخرج نا⁺ من القطب الموجب، ويمر عبر الفاصل، ثم يُدمج في القطب السالب ليتحد مع الإلكترونات. أثناء التفريغ، يُستخرج نا⁺ من القطب السالب، ويمر عبر الفاصل، ثم يُدمج في القطب الموجب، بينما تنتقل الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر دائرة خارجية. وأخيرًا، يحدث تفاعل أكسدة واختزال في القطب الموجب لاستعادة حالة الصوديوم الغنية.
رسم تخطيطي لشحن وتفريغ بطاريات أيونات الصوديوم
الثاني. ثلاثة مسارات تقنية
بالمقارنة مع بطاريات أيونات الليثيوم، يكمن التغيير الأهم في بطاريات أيونات الصوديوم في مواد الكاثود، التي يُعد أداؤها أيضًا عاملًا رئيسيًا في تحديد كثافة طاقة البطارية وسلامتها وعمرها الافتراضي. تتميز أيونات الصوديوم بكتلة ونصف قطر أكبر من أيونات الليثيوم، مما يؤدي إلى انخفاض معدلات الانتشار الأيوني. وينعكس ذلك في انخفاض طفيف في السعة النظرية وحركية التفاعل في أداء البطارية، مما يتطلب تطوير مواد الكاثود لمعالجة هذه المشكلات. في الوقت الحالي، لم يُحدد المسار التقني لمواد الكاثود بعد، ولكن الأكاسيد الطبقية، الأزرق البروسي نظائرها، و مركبات البوليانيون هيمن المتوقع أن تبرز ثلاثة طرق واعدة.
أناالثاني. أكاسيد طبقية
الصيغة العامة لأكاسيد الطبقات هي ناكس مو2، حيث يشير الحرف M إلى عناصر المعادن الانتقالية، مثل الفاناديوم (V)، والكروم (كر)، والمنغنيز (من)، والحديد (الحديد)، والكوبالت (كو)، والنيكل (ني)، والنحاس (النحاس)، وغيرها. من بينها، يُعد المنغنيز (من) والحديد (الحديد)، وهما من العناصر الوفيرة، الأكثر شيوعًا. يمكن تصنيف أكاسيد المعادن الانتقالية إلى نوعين: الطبقات والنفق. عندما يكون محتوى الصوديوم منخفضًا (x<0.5)، يكون هيكل النفق موجودًا بشكل رئيسي. عندما يكون محتوى الصوديوم مرتفعًا نسبيًا، يهيمن عليه عادةً هيكل طبقي، مع وجود Na+ بين الطبقات، مما يشكل هيكلًا طبقيًا تتناوب فيه طبقات MO2 وطبقات الصوديوم.
نظائر البروسي الأزرق الرابع
الصيغة العامة لنظائر الأزرق البروسي هي ناكسما[ميجا بايت(الصين)6]·zH2O. يمثل كل من ماجستير وMB عناصر معدنية انتقالية، أبرزها الحديد (الحديد)، والكوبالت (كو)، والنيكل (ني)، والمنجنيز (من)، وغيرها. بفضل الإطار المفتوح الفريد والبنية المسامية ثلاثية الأبعاد لمركبات الأزرق البروسي، فهي مناسبة لهجرة أيونات الصوديوم وتخزينها. من حيث المزايا، فإن المركبات القائمة على الحديدالأزرق البروسي يتميز الأزرق البروسي المُركّب على المنغنيز وزيت بروسيا بوفرة المواد الخام، وانخفاض التكلفة، وارتفاع السعة النوعية، وارتفاع معدل الأداء، والاستقرار الكهروكيميائي الممتاز. أما من ناحية العيوب، فنظرًا لأن طرق الإنتاج الحالية تعتمد في الغالب على طريقة الترسيب المشترك، غالبًا ما تُنتج العديد من العيوب الهيكلية في الماء البلوري وFe(الصين)6. يميل الماء البلوري إلى شغل مواقع تخزين الصوديوم وقنوات إزالة أيونات الصوديوم في البلورة، مما يؤدي إلى انخفاض محتوى أيونات الصوديوم في المادة وانخفاض معدل هجرتها. يمكن أن تُسبب العيوب الهيكلية والماء البلوري لـ الحديد(الصين)6 انهيارًا هيكليًا أثناء عملية شحن وتفريغ المادة، مما يؤثر على أدائها الدوري.
تشمل عمليات إنتاج مركبات الأزرق البروسي بشكل أساسي الترسيب المشترك والتخليق الحراري المائي. من بينها، يُعد الترسيب المشترك الطريقة الأكثر شيوعًا، والتي تتميز بمزايا عملية التحضير البسيطة، وعدم الحاجة إلى المعالجة بدرجة حرارة عالية وسهولة الحصول على منتجات الطور النقي. ومع ذلك، في الوقت الحاضر، لا تزال طريقة الترسيب المشترك تعاني من مشكلتين. الأولى هي وقت التحضير الطويل؛ والثانية هي الناتج المنخفض. تشترك طريقة التخليق الحراري المائي في العديد من أوجه التشابه مع طريقة الترسيب المشترك. تتميز بمزايا وقت التفاعل القصير والتوزيع الموحد لجزيئات المادة. ومع ذلك، في الوقت الحاضر، فإن طريقة التخليق الحراري المائي لها ثلاثة عيوب. أولاً، تتم عملية التفاعل في نظام مغلق، ولا يمكن ملاحظة عملية التفاعل بشكل مباشر. ثانيًا، توجد خطوات ذات درجة حرارة وضغط عاليين، مما يتطلب متطلبات عالية لمعدات الإنتاج. ثالثًا، العملية مرهقة وغير مناسبة للإنتاج الصناعي.
المركبات البولي أنيونية
الصيغة العامة للمركبات متعددة الأنيونات هي ناكس ماي[(إكس أو إم)n-]z، حيث M أيون معدني ذو حالة تكافؤ متغيرة، وX عناصر مثل P وS وV. تتميز هذه المركبات بثباتها الجيد وأدائها الدوري وسلامتها، إلا أنها تعاني من مشاكل انخفاض السعة النوعية وضعف التوصيلية. وفقًا لبنيتها المختلفة، يمكن تصنيفها إلى فوسفات ذات بنية أوليفينية، ومركبات ناسكيكون (موصل سريع لأيونات الصوديوم +)، ومركبات فوسفاتية.
تُشبه طريقة تحضير NaFePO4 المُركّب على هيئة الزبرجد الزيتوني كمواد كاثود لبطاريات أيونات الصوديوم طريقة تحضير فوسفات حديد الليثيوم. تبلغ سعته النظرية 154 مللي أمبير/ساعة، وجهد تشغيله 2.9 فولت. ومع ذلك، فإن موصليته الكهربائية منخفضة نسبيًا، ولا يحتوي إلا على قنوات انتشار أحادية البعد لأيونات الصوديوم، مما يؤثر على أدائه الفعلي. حاليًا، تُحسّن الموصلية الكهربائية من خلال طلاء الكربون أو استبدال الأيونات. المركبات المُركّبة على هيئة ناسيكون هي موصلات أيونية سريعة بسعة نوعية نظرية تبلغ حوالي 120 مللي أمبير/ساعة، وجهد تشغيلها حوالي 3.3 فولت. تتميز هذه المركبات بهيكل إطاري ثلاثي الأبعاد، ومعدل انتشار أيوني عالٍ، واستقرار حركي ودوري جيد. ومع ذلك، عند استخدام V خماسي التكافؤ، غالبًا ما يكون سامًا ويشكل تهديدًا كبيرًا لصحة الإنسان، مما يحدّ إلى حد ما من استخدامه على نطاق واسع.
البنية البلورية لمواد الكاثود متعددة الأنيونات
