Ультра

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 16307 (2022) Цитировать эту статью

2704 Доступа

43 Альтметрика

Подробности о метриках

Натрий-ионные аккумуляторы предпочитаются в стационарных и крупномасштабных хранилищах энергии из-за их низкой стоимости и нетоксичности. Поскольку литий заменяется натрием из соображений экономии, необходим дешевый метод обработки, чтобы поддерживать цену элемента на как можно более низком уровне. Мы сообщаем о сверхбыстром методе синтеза, который использует высокое микроволновое поглощение карбида кремния, содержащегося в золе рисовой соломы. Аморфно-марицитовые смеси фосфатов железа натрия и углеродных композитов (NaFePO4-C) синтезированы, кристаллизованы и покрыты углеродом с использованием одностадийного микроволнового нагрева. Электроактивные композиты ионов натрия получают с использованием микроволнового нагрева различной продолжительности от 30 до 100 с. Инертные газы высокой чистоты не требуются при синтезе, обработке и даже при сборке элементов. Материалы характеризуются методами элементного анализа, рентгеновской дифракцией (XRD), сканирующим/просвечивающим электронным микроскопом (SEM/TEM) и рамановской спектроскопией. Рассмотрены электрохимические характеристики синтезированных нанокомпозитов в качестве катода натрий-ионных аккумуляторов и симметричных суперконденсаторов. Оптимальное время синтеза составляет 60 с для использования в качестве натрий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов. Максимальная удельная емкость составляет 108,4 мА рт.ст. при температуре 0,2 С в случае использования в качестве катода аккумулятора. В то время как емкость составляет 86 Ф г-1 при 0,5 А г-1 в качестве суперконденсатора. Сохранение емкости составляет 92,85% после 40 циклов при температуре 0,2°C в качестве электрода натрий-ионной батареи. Для суперконденсатора сохранение емкости составляет 81,7% после 1000 циклов.

Мобильные приложения, такие как электромобили (EV), ноутбуки и сотовые телефоны, были захвачены литий-ионными технологиями из-за высокой удельной гравиметрической емкости литиевых элементов1. Опасения по поводу истощения запасов лития возникли рано, чтобы заложить основы их замены технологиями ионов натрия, особенно в стационарных и крупномасштабных обычных приложениях2,3. Натрий имеет многие характеристики, очень близкие к литию, особенно его электроотрицательность и ионный радиус. С другой стороны, натрий экологически безопасен и его содержание в земной коре примерно в 1350 раз больше, чем лития4. Многие наноматериалы были обнаружены в качестве катодов и анодов для натрий-ионных батарей (SIB) и были опубликованы в других источниках5,6,7,8. Фосфаты натрия-ванадия (NVP) Na3V2(PO4)3 и Na3VCr(PO4)3 со структурой NASICON были одними из наиболее успешных материалов активных катодов благодаря их высокому и плоскому разрядному потенциалу при 3,4 В по сравнению с Na/Na+, что максимизирует плотность энергии. Они также обладают преимуществом высокой скорости благодаря своей сверхпроводящей структуре с открытым каркасом, состоящей из ионов натрия. Однако только два из трех ионов Na+ доступны при таком высоком потенциале, что приводит к относительно низкой теоретической емкости - 118 мА рт. ст.-1. Кроме того, их стоимость относительно высока9,10. В качестве сырья оксид железа составляет одну десятую стоимости оксида ванадия, что снижает экономическую выгоду от использования NVP по сравнению с LiFePO411. Фосфат натрия-железа в различных формах обеспечивает дешевый материал в качестве катода натрий-ионных аккумуляторов, а также его экологическую безопасность5. Марицит, оливин и аморфные формы NaFePO4, все с теоретической емкостью 152 мА рт. ст., были исследованы в качестве активных и недорогих катодных материалов для СИБ12,13,14,15,16. Оливин NaFePO4 можно получить только из LiFePO4 электрохимическим делитированием и последующим натрием. Он обладает низкой ионной проводимостью из-за однонаправленных диффузионных туннелей Na/Li12,17. О превращении марицита NaFePO4 в аморфную фазу сообщили Kim et al. после полной денатрии, так что можно считать, что марицит и аморфный NaFePO4 оказывают такое же электрохимическое воздействие, как и катодные материалы13.

Не содержащие щелочных металлов фосфаты переходных металлов являются привлекательными материалами для симметричных и асимметричных суперконденсаторов, и Ли и др.18 рассмотрели множество отчетов. В ограниченном количестве статей фосфаты переходных металлов Li/Na, которые первоначально были активны в качестве ионного катода Li/Na в батареях, использовались в качестве активных материалов в асимметричных электрохимических суперконденсаторах. Они продемонстрировали хорошие емкости и отличную циклическую стабильность19,20,21. NaNiPO4 давал 125 Ф/г при использовании в качестве электролита 2 М NaOH и диапазоне напряжений 0–1,6 В20. Сундарам и др. подготовили NaMn1/3Co1/3Ni1/3PO4 со структурой марицита, асимметричный суперконденсатор по сравнению с углеродом, который показал удельную емкость 40 Ф г-1, когда в качестве электролита использовался 1 М NaPF6 в EC/DMC и диапазон напряжений 0–3 В21.