सोडियम-आयन कैथोड सामग्रियों का मूल ज्ञान

I. सोडियम-आयन बैटरियों का अवलोकन

सोडियम-आयन बैटरी एक प्रकार की बैटरी है जो सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच सोडियम आयनों की गति पर निर्भर होकर चार्जिंग और डिस्चार्जिंग पूरी करती है, जिसका कार्य सिद्धांत लिथियम-आयन बैटरी के समान है। सोडियम-आयन बैटरी मुख्य रूप से एक सकारात्मक इलेक्ट्रोड, एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड,एक इलेक्ट्रोलाइट, एसेपरेटर, और एक करंट कलेक्टर। चार्जिंग के दौरान, ना⁺ को पॉजिटिव इलेक्ट्रोड से निकाला जाता है, विभाजक से होकर गुजरता है, और इलेक्ट्रॉनों के साथ संयोजन करने के लिए नेगेटिव इलेक्ट्रोड में एम्बेड किया जाता है। डिस्चार्जिंग के दौरान, ना⁺ को नेगेटिव इलेक्ट्रोड से निकाला जाता है, विभाजक से होकर गुजरता है, और पॉजिटिव इलेक्ट्रोड में एम्बेड किया जाता है, जबकि इलेक्ट्रॉनों को नेगेटिव इलेक्ट्रोड से बाहरी सर्किट के माध्यम से पॉजिटिव इलेक्ट्रोड में स्थानांतरित किया जाता है। अंत में, सोडियम-समृद्ध अवस्था को बहाल करने के लिए पॉजिटिव इलेक्ट्रोड में एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया होती है।

सोडियम-आयन बैटरियों के चार्ज और डिस्चार्ज का योजनाबद्ध आरेख

द्वितीय. तीन तकनीकी मार्ग

लिथियम-आयन बैटरियों की तुलना में, सोडियम-आयन बैटरियों में सबसे महत्वपूर्ण परिवर्तन कैथोड सामग्रियों में होता है, जिसका प्रदर्शन बैटरी के ऊर्जा घनत्व, सुरक्षा और चक्र जीवन को निर्धारित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक भी है। सोडियम आयनों में लिथियम आयनों की तुलना में बड़ा द्रव्यमान और त्रिज्या होती है, जिसके परिणामस्वरूप आयनिक प्रसार दर कम होती है। यह बैटरी के प्रदर्शन में थोड़ी कम सैद्धांतिक क्षमता और प्रतिक्रिया गतिकी में परिलक्षित होता है, जिसके लिए इन मुद्दों को संबोधित करने के लिए कैथोड सामग्रियों में सफलता की आवश्यकता होती है। वर्तमान में, कैथोड सामग्रियों के लिए तकनीकी मार्ग अभी तक निर्धारित नहीं किया गया है, लेकिन स्तरित ऑक्साइड, प्रुशियन नीला एनालॉग, और पॉलीएनियन यौगिक हैंतीन आशाजनक मार्ग सामने आने की उम्मीद है।

मैंद्वितीयस्तरित ऑक्साइड

स्तरित ऑक्साइड का सामान्य सूत्र नैक्सएमओ2 है, जहाँ M संक्रमण धातु तत्वों को संदर्भित करता है, जैसे कि वैनेडियम (V), क्रोमियम (करोड़), मैंगनीज (एम.एन.), लोहा (फ़े), कोबाल्ट (सह), निकल (नी), तांबा (घन), आदि। उनमें से, मैंगनीज (एम.एन.) और लोहा (फ़े), जो संसाधनों में प्रचुर मात्रा में हैं, सबसे आम हैं। संक्रमण धातु ऑक्साइड को आगे दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: स्तरित और सुरंग। जब सोडियम सामग्री कम होती है (x<0.5), तो सुरंग संरचना मुख्य रूप से मौजूद होती है। जब सोडियम सामग्री अपेक्षाकृत अधिक होती है, तो यह आम तौर पर एक स्तरित संरचना द्वारा हावी होती है, जिसमें Na + परतों के बीच स्थित होता है, एक स्तरित संरचना बनाता है जिसमें MO2 परतें और सोडियम परतें वैकल्पिक रूप से व्यवस्थित होती हैं।

चतुर्थ. प्रुशियन ब्लू एनालॉग्स

प्रशिया ब्लू एनालॉग्स का सामान्य सूत्र नैक्सएमए[एमबी(सीएन)6]·zH2O है। एमए और एमबी संक्रमण धातु तत्वों का प्रतिनिधित्व करते हैं, मुख्य रूप से लोहा (फ़े), कोबाल्ट (सह), निकल (नी), मैंगनीज (एम.एन.), आदि। प्रशिया ब्लू यौगिकों के अद्वितीय खुले ढांचे और त्रि-आयामी मैक्रोपोरस संरचना के कारण, वे सोडियम आयनों के प्रवास और भंडारण के लिए उपयुक्त हैं। लाभों के संदर्भ में, लौह-आधारितप्रुशियन नीला और मैंगनीज आधारित प्रशिया ब्लू में प्रचुर मात्रा में कच्चे माल, कम लागत, उच्च विशिष्ट क्षमता, उच्च दर प्रदर्शन और उत्कृष्ट विद्युत रासायनिक स्थिरता के फायदे हैं। नुकसान के संदर्भ में, चूंकि वर्तमान उत्पादन विधियां ज्यादातर सह-अवक्षेपण विधि को अपनाती हैं, इसलिए कई क्रिस्टलीय पानी और फ़े(सीएन)6 संरचनात्मक दोष अक्सर उत्पन्न होते हैं। क्रिस्टलीय पानी क्रिस्टल में सोडियम भंडारण स्थलों और सोडियम आयन विसंक्रमण चैनलों पर कब्जा करने के लिए प्रवण है, जिसके परिणामस्वरूप सामग्री में सोडियम आयन सामग्री में कमी और सोडियम आयन प्रवास दर में कमी आती है। फ़े(सीएन)6 के संरचनात्मक दोष और क्रिस्टलीय पानी सामग्री की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान संरचनात्मक पतन का कारण बन सकते हैं, जिससे सामग्री के साइक्लिंग प्रदर्शन पर असर पड़ता है।

प्रशिया ब्लू यौगिकों की उत्पादन प्रक्रियाओं में मुख्य रूप से सह-वर्षण और हाइड्रोथर्मल संश्लेषण शामिल हैं। उनमें से, सह-वर्षण सबसे आम विधि है, जिसमें सरल तैयारी प्रक्रिया, उच्च तापमान उपचार की आवश्यकता नहीं और शुद्ध चरण उत्पादों के आसान अधिग्रहण के फायदे हैं। हालांकि, वर्तमान में, सह-वर्षण विधि में अभी भी दो समस्याएं हैं। एक है लंबी तैयारी का समय; दूसरा है कम आउटपुट। हाइड्रोथर्मल संश्लेषण विधि सह-वर्षण विधि के साथ कई समानताएं साझा करती है। इसमें कम प्रतिक्रिया समय और सामग्री कणों के समान वितरण के फायदे हैं। हालांकि, वर्तमान में, हाइड्रोथर्मल संश्लेषण विधि में तीन नुकसान हैं। सबसे पहले, प्रतिक्रिया प्रक्रिया एक बंद प्रणाली में होती है, और प्रतिक्रिया प्रक्रिया को सीधे नहीं देखा जा सकता है। दूसरे, उच्च तापमान और उच्च दबाव वाले चरण होते हैं

V. पॉलीएनियोनिक यौगिक

पॉलीएनियोनिक यौगिकों का सामान्य सूत्र नैक्समाई[(एक्सओम)n-]z है, जहाँ M एक परिवर्तनशील वैलेंस अवस्था वाला धातु आयन है और X P, S और V जैसे तत्व हैं। इसमें अच्छी स्थिरता, साइक्लिंग प्रदर्शन और सुरक्षा के फायदे हैं, लेकिन कम विशिष्ट क्षमता और खराब चालकता की समस्याएँ हैं। उनकी अलग-अलग संरचनाओं के अनुसार, उन्हें ओलिवाइन-संरचित फॉस्फेट, नास्किकॉन (ना+ फास्ट आयन कंडक्टर) यौगिक और फॉस्फेट यौगिकों में वर्गीकृत किया जा सकता है।

सोडियम-आयन बैटरी के लिए कैथोड सामग्री के रूप में ऑलिवाइन-संरचित NaFePO4 की तैयारी विधि लिथियम आयरन फॉस्फेट के समान है। इसकी सैद्धांतिक क्षमता 154mAh/g है और कार्यशील वोल्टेज 2.9V है। हालाँकि, इसकी अपनी विद्युत चालकता अपेक्षाकृत कम है और इसमें केवल एक-आयामी ना+ प्रसार चैनल हैं, जो इसके वास्तविक प्रदर्शन को प्रभावित करता है। वर्तमान में, कार्बन कोटिंग या आयन प्रतिस्थापन के माध्यम से विद्युत चालकता में सुधार किया जाता है। नैसिकोन-संरचित यौगिक तेज़ आयनिक कंडक्टर हैं जिनकी सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता लगभग 120mAh/g है और लगभग 3.3V का ऑपरेटिंग वोल्टेज है। वे एक 3D फ्रेमवर्क संरचना, एक उच्च आयन प्रसार दर और अच्छी गतिज और साइकिल चालन स्थिरता की विशेषता रखते हैं। हालाँकि, जब पेंटावेलेंट V को पेश किया जाता है, तो यह अक्सर विषाक्त होता है और मानव स्वास्थ्य के लिए एक बड़ा खतरा बन जाता है, जो कुछ हद तक इसके बड़े पैमाने पर उपयोग को सीमित करता है।

विभिन्न पॉलीएनियोनिक कैथोड सामग्रियों की क्रिस्टल संरचनाएं