Binabago ng Scandium Doping ang Performance ng Sodium-Ion Battery

Praktikal na pagsulong para sa mga sodium battery

Iniulat ng mga mananaliksik sa Tokyo University of Science ang malaking pagsulong sa mga sodium-ion battery sa pamamagitan ng pagdaragdag ng kaunting scandium sa layered sodium manganese oxide cathode. Tinutugunan ng pagbabagong ito ang isang matagal nang sanhi ng paghina ng performance at pinahahaba ang buhay ng baterya sa mga pagsusuri sa laboratoryo. Sa isang coin-type na full cell, napanatili ng mga electrode na may humigit-kumulang 8 porsiyentong scandium ang halos 60 porsiyento ng kapasidad ng mga ito matapos ang 300 siklo ng pag-charge at pag-discharge. Tinutugunan ng pagsulong na ito ang pangunahing kahinaan na pumigil sa mga sodium system na makipagkumpitensya sa mga lithium cell sa maraming gamit.

Nakabatay sa heolohiya at kaligtasan ang pagiging kaakit-akit ng sodium. Sagana at malawak ang pagkakakalat nito, kaya nababawasan ang presyur sa gastos at panganib sa suplay. Hindi rin nito kailangan ang cobalt, isang metal na may mga usaping may kinalaman sa presyo at etika. Ang kapalit nito ay tibay. Mas malaki ang sodium ion at maaari nitong pilitin ang mga materyal na kinalalagyan nito, lalo na ang mga layered oxide na nakabatay sa manganese at pinapaboran dahil sa mataas na kapasidad. Naiipon ang pinsalang dulot nito sa paglipas ng panahon at pinahihina ang performance.

Natuklasan sa bagong pag-aaral na binabago ng scandium ang pagbabago sa isang partikular na anyong kristal ng cathode habang dumaraan ito sa mga siklo. Mas napapanatili ng materyal na nilagyan ng dopant ang istruktura nito, mas kaunti ang mga side reaction sa hangganan nito sa electrolyte, at mas natitiis nito ang halumigmig habang hinahawakan. Tila natatangi ang epektong ito sa pagsasama ng scandium at ng tinatawag na P prime 2 polytype, isang baryanteng may mga patong ng atom na nadedeporma sa organisadong paraan. Ipinahihiwatig ng ganitong mga resulta ang mga tuntunin sa disenyo na maaari ring magpatatag sa iba pang layered oxide.

Ano ang pumipigil sa sodium manganese oxide

Matagal nang kaakit-akit para sa mga sodium-ion battery ang mga layered sodium manganese oxide. Partikular na may kakayahan ang P prime 2 na anyo ng Na2/3MnO2 na makamit ang mataas na reversible capacity mula sa redox couple na Mn3+ at Mn4+. Ang problema, madalas mabilis na umiikli ang cycle life. Pagkaraan ng ilang dosena o ilang daang siklo, maaaring bumaba ang kapasidad habang bumabagsak ang kristal at dumarami ang mga parasitikong reaksyon sa ibabaw ng particle.

Ang suliraning Jahn-Teller sa payak na paliwanag

Ang pangunahing sanhi nito ay isang penomenong tinatawag na Jahn-Teller effect. Kapag lumilitaw ang manganese na nasa +3 na estado habang nagcha-charge at nagdi-discharge, pumupuwesto ang mga electron sa mga orbital na nagpapahaba sa ilang bond at nagpapaikli sa iba. Gumagalaw ang mga atom sa paligid ng manganese upang makaangkop, kaya nadedeporma ang lattice. Kapag nangyari ang mga depormasyong ito nang hindi pantay-pantay at patuloy na nagbabago, naiipon ang panloob na tensiyon sa materyal. Nabubuo ang maliliit na bitak, nasisira ang maayos na pagkakaayos ng mga atom, at hindi na madaling makapasok at makalabas ang sodium. Nawawalan ng kapasidad ang baterya at bumababa ang kahusayan nito.

Bakit mahalaga ang polytype

Maaaring magpatong-patong ang mga atomic plane ng mga layered oxide na may parehong pormulang kemikal sa magkakaibang padron, na tinatawag na mga polytype. Magkaiba ang asal ng P2 at P prime 2 na bersyon ng Na2/3MnO2. Sa P2, karaniwang lokal at hindi mahulaan ang mga depormasyon. Sa P prime 2, magkakahanay ang mga depormasyon sa maraming atom sa isang magkakaugnay na padron. Maaari itong maging bentahe ng pangmatagalang kaayusang ito kung nananatiling buo ang materyal na pinaglalagyan nito. Sinikap ng pangkat sa Tokyo na alamin kung maaaring maitulak ng angkop na dopant ang P prime 2 tungo sa katatagan habang naiiwasan ang mga problemang nakita sa P2.

Mga pagbabagong ginawa ng pangkat sa Tokyo sa cathode

Ikinumpara ng mga mananaliksik ang paglalagay ng scandium bilang dopant sa P2 at P prime 2 na mga anyo ng sodium manganese oxide at sinubukan ang iba't ibang antas nito. Nagmula ang pinakakapansin-pansing resulta sa P prime 2 Na2/3[Mn1−xScx]O2 na may x na malapit sa 0.08. Sa antas na ito, binago ng scandium ang paraan ng paglaki ng mga kristal, kaya naging mas maliliit ang mga particle at mas pantay ang microstructure. Mas napangalagaan ng materyal ang magkakaugnay na depormasyong katangian ng P prime 2 sa halip na tuluyang mauwi ito sa kaguluhan.

Nagpakita ang mga pagsusuri ng ilang pakinabang mula sa scandium. Mas kaunti ang reaksiyon ng cathode na nilagyan ng dopant sa electrolyte, kaya nalilimitahan ang pagbuo ng mga film na lumalaban sa daloy at sumisipsip ng kuryente. Mas matibay din ito laban sa halumigmig, na mahalaga sa pagproseso ng pulbos at pagbuo ng cell. Hindi naghatid ng kaparehong pagsulong ang mga pagtatangkang palitan ang manganese ng iba pang trivalent na metal. Ipinahihiwatig nito ang partikular na angkop na pagtutugma ng laki at karga ng scandium sa paraan ng pag-aayos ng P prime 2 lattice.

Tapat na ibinuod ni Propesor Shinichi Komaba, na namumuno sa pananaliksik sa Tokyo University of Science, ang mga kapalit nito.

Mahal ang scandium, ngunit ipinakikita ng aming pananaliksik ang potensiyal nitong magbigay-daan sa mga sodium-ion battery na mas tumatagal. Ipinahihiwatig din ng mga natuklasan ang mga bagong estratehiya sa disenyo ng mga layered metal oxide, lampas sa mga sodium system.

Paano pinatatatag ng scandium ang estrukturang P prime 2

Pumapasok ang kaunting scandium sa patong ng manganese at binabago ang lokal na kapaligiran ng mga manganese ion. Sa P prime 2, hindi basta-basta ang mga depormasyon ng Mn3+. Nagsasaayos ang mga ito sa padron na kahawig ng pulot-pukyutan at nauulit sa buong kristal. Tinutulungan ng scandium na mapanatili ang magkakaugnay na depormasyong ito. Bunga nito, nakagagalaw ang lattice habang nagcha-charge at nagdi-discharge nang hindi nawawala ang pangkalahatang pagkakaayos nito. Sa diwa, nababaluktot ang materyal sa paraang mahuhulaan sa halip na yumuko at magbitak.

Kasabay nito, binabago ng scandium ang hugis ng mga particle. Nililimitahan ng mas maliliit at mas pantay na particle ang distansiyang kailangang tahakin ng mga sodium ion sa loob ng solid, kaya napapadali ang paggalaw ng mga ito. Nabubuo ang mas malinis na hangganan sa electrolyte, na nagpapababa sa posibilidad ng mga parasitikong reaksyong umuubos sa aktibong materyal. Pinagsasama-sama ang mga epektong ito upang mapataas ang posibilidad na patuloy na gagana ang cathode matapos ang maraming siklo.

Nakakapagbigay-aral ang pagkakaiba nito sa P2. Hindi naghahatid ng kaparehong pakinabang sa P2 ang pagdaragdag ng scandium. Nananatiling lokal ang mga depormasyon doon at patuloy na lumilihis ang istruktura tungo sa mga di-kanais-nais na estado. Mensahe nito sa mga tagadisenyo na kailangang sabay na isaayos ang kimika at topolohiya ng kristal, hindi nang magkahiwalay.

Ano ang ipinakikita ng mga pagsusuri

Sa mga pagsusuri sa full cell na gumamit ng hard carbon anode, napanatili ng P prime 2 cathode na nilagyan ng scandium bilang dopant ang humigit-kumulang 60 porsiyento ng paunang kapasidad nito matapos ang 300 siklo ng pag-charge at pag-discharge. Mas napangalagaan ng mga electrode ang pagkakakristal ng mga ito kaysa sa mga control na walang dopant, at mas mabagal ang paglaki ng impedance, na sumusuporta sa obserbasyong mas kaunti ang mapaminsalang side reaction. Mahahalagang pagsulong ang mga ito para sa layered oxide na may mataas na kapasidad sa pamilya ng sodium.

Patungo rin sa ganitong direksiyon ang iba pang larangan ng pananaliksik. Sa mga NASICON-type na cathode, na naiiba sa mga layered oxide, napahusay ng scandium ang mga daanan para sa paggalaw ng ion at electron. Halimbawa, pinahusay ng Na3MnTi(PO4)3 na nilagyan ng scandium bilang dopant ang conductivity at paggalaw ng sodium ion. Napanatili ng komposisyong in-optimize ang humigit-kumulang 93 porsiyento ng kapasidad nito matapos ang 250 siklo sa mababang bilis, at humigit-kumulang 88 porsiyento matapos ang 500 siklo sa mas mataas na bilis. Nakamit ng Na3V2(PO4)2F3 na binago gamit ang scandium at binalutan ng carbon ang mahusay na kakayahang maghatid ng mataas na performance sa iba-ibang bilis at mataas na cycle retention, kabilang ang humigit-kumulang 90 porsiyento matapos ang 1000 siklo sa mataas na kuryente. Nagkakaiba ang mga protocol at panukat ng pagsusuri, kaya hindi tuwirang maihahambing ang mga resulta. Karaniwang tema sa mga ito na nakapagpapatatag ng mga istruktura at nakababawas ng polarization sa iba't ibang pamilya ang kaunting dagdag na scandium.

Makikita sa peer-reviewed na literatura ang detalyadong pagsusuri sa pananaliksik tungkol sa layered oxide, kabilang ang natatanging ugnayang nagkakaisa sa scandium at sa magkakaugnay na depormasyon sa P prime 2. Makakakita ang mga mambabasa ng pinaikling buod sa PubMed sa entry na ito.

Gastos, suplay at pagpapalawak ng produksyon ng scandium

Kakaunti ang scandium kapag nasa anyong puro at karaniwan itong nagagawa bilang by-product ng iba pang proseso ng pagmimina at pagpino. Nananatiling limitado ang suplay at nakasentro ito sa iilang bansa. Dahil sa kamakailang mga kontrol sa pagluluwas at mas malawak na tensiyong heopolitikal, mas nag-iingat ang mga tagaplano sa pag-asa sa iisang rehiyon para sa mahahalagang sangkap. Karaniwang nasa daan-daang dolyar kada kilo ang sinisiping presyo sa merkado ng scandium oxide, kaya nagbabangon ito ng mga tanong tungkol sa gastos sa paglipat mula laboratoryo tungo sa pabrika.

May dalawang puntong makatutulong upang maunawaan ang ekonomika nito. Una, mababa ang antas ng doping. Kaunting bahagi lamang ng mamahaling elemento ang naidaragdag sa cathode kapag ilang porsiyento lang ng manganese ang pinapalitan ng scandium, kaya nalilimitahan ang epekto nito sa gastos ng mga materyales. Ikalawa, may ilang paraan upang mabawasan ang dami ng scandium na kailangan. Maaaring ituon ng mga mananaliksik ang mga dopant sa mga bahaging malapit sa ibabaw kung saan pinakamalaki ang naitutulong ng mga ito sa hangganan, samahan ang kaunting scandium ng mga pananggalang na patong, o humanap ng pares ng mga dopant na gumagaya sa estruktural na papel ng scandium. Sinisikap ng mga bagong proyekto sa Australia, North America at iba pang rehiyon na makapaghatid sa merkado ng mas maraming scandium na by-product. Maaari nitong pagaanin kapwa ang gastos at panganib sa suplay kung tataas ang demand.

Mga unang merkadong maaaring makinabang sa sodium-ion

Mukhang angkop ang teknolohiyang sodium-ion para sa nakapirming imbakan ng enerhiya, kung saan kadalasang mas mahalaga ang gastos, kaligtasan at tagal kaysa sa pinakamataas na enerhiya kada kilo. Hindi kailangang sumunod sa mahihigpit na limitasyon sa timbang ng mga sasakyan ang mga bateryang nakakonekta sa grid, mga sistemang nasa likod ng metro at imbakan ng enerhiya ng komunidad. Maaaring mabawasan ng pinatatag na layered cathode na may mataas na kapasidad ang dami ng materyal kada kilowatt-hour at mapahusay ang pagiging mapagkumpitensya nito. Para sa mga gamit na nangangailangan ng libu-libong siklo na kakaunti ang pagkawala, maaari ring gumanap ng papel ang mga cathode na nakabatay sa NASICON na tumatagal sa napakahabang paggamit.

Umuusad din ang mga pamilihan ng transportasyon. Nag-anunsiyo na ang ilang manufacturer ng mga planong gumamit ng sodium-ion cell sa mga sasakyang pangpasok at mga de-gulong na sasakyan. Aktibo pa ring pinag-aaralan ang performance sa mabababang temperatura at asal habang nagcha-charge. Ang mga pagsulong sa katatagan ng cathode, disenyo ng electrolyte at paggawa ng anode ang magtatakda kung gaano kalawak ang pagpasok ng sodium sa transportasyon. Malinaw ang pakinabang ng mas ligtas na opsiyong hindi gaanong nakatali sa limitadong mga likas-yaman kung patuloy na bubuti ang performance nito.

Ano ang susunod na susubaybayan

Ang susunod na pagsubok ay ang pagpapalawak ng produksyon. Naipakita na ang materyal na nilagyan ng scandium bilang dopant sa mga coin-type na full cell. Para magamit ito sa mga stacked pouch o prismatic format, kailangang matiyak ang pantay na doping sa malalaking batch, mahigpit na makontrol ang hugis ng mga particle at matiyak ang pagiging tugma nito sa karaniwang halo ng electrolyte at separator. Nangangako ang kakayahan nitong tiisin ang halumigmig para sa mas mataas na ani sa pagmamanupaktura, ngunit mangangailangan pa rin ng mahigpit na kontrol ang mga linya ng produksyon.

Patuloy rin ang pagtuklas ng mga materyal. Maaaring magbigay-inspirasyon ang epekto ng scandium sa paghahanap ng mas murang mga ion na makapagtatamo ng katulad na pag-aayos ng lattice, o sa pagdidisenyo ng mga bakanteng puwesto ng manganese at kaayusan nito upang mapanatili ang magkakaugnay na mga depormasyon nang hindi gumagamit ng scandium. Makadadagdag sa disenyo ng cathode ang mga estratehiya sa electrolyte na naglilimita sa mga side reaction, gaya ng paggamit ng mas mataas na konsentrasyon ng asin o mga additive na bumubuo ng matitibay na interphase. Sa pamamagitan ng pagsasama nito sa mas pinahusay na hard carbon o iba pang anode, maaaring sabay na mapataas ang paunang kahusayan at pangmatagalang katatagan.

Buod

• Iniulat ng mga mananaliksik sa Tokyo University of Science na napanatili ng P prime 2 layered sodium manganese oxide cathode na nilagyan ng scandium bilang dopant ang humigit-kumulang 60 porsiyento ng kapasidad nito matapos ang 300 siklo sa isang coin-type na full cell.
• Tinutugunan ng pagsulong na ito ang paghina ng kapasidad sa bawat siklo na dulot ng mga depormasyong Jahn-Teller. Napapanatili nito ang kaayusan ng lattice, nababawasan ang mga side reaction at napahuhusay ang kakayahang tiisin ang halumigmig.
• Natatangi ang epekto sa P prime 2 polytype at hindi ito naulit sa P2 o nang subukan ang iba pang trivalent na dopant.
• Nasa halos 8 porsiyentong pagpapalit ng manganese sa lugar nito ng scandium ang pinakamainam na performance sa pag-aaral.
• Ipinakikita ng kaugnay na pananaliksik na napahuhusay din ng scandium ang mga NASICON-type na cathode sa pamamagitan ng pagpapabuti sa conductivity at paggalaw ng ion, at napapanatili ng mga ito nang mahusay ang kapasidad sa iba't ibang kundisyon ng pagsusuri.
• Mahal ang scandium at nakasentro sa iilang lugar ang suplay nito, ngunit kaunti lamang ang kailangang gamitin at pinauunlad ang mga bagong mapagkukunan nito bilang by-product.
• Lalong pinatitibay ng mga pinatatag na sodium-ion cathode ang posibilidad na gamitin ang sodium sa imbakan sa grid at mga sasakyang pangpasok, kung saan prayoridad ang gastos at kaligtasan.
• Kabilang sa mga susunod na hakbang ang pagpapalawak sa mas malalaking cell, pagpino sa pagtutugma ng electrolyte at anode, at pagsusuri sa mas murang mga estratehiya sa paggamit ng dopant na hango sa estruktural na papel ng scandium.