ナ イオン正および負の材料の導電率および圧縮密度試験

ナトリウムとリチウムは同じ元素族に属しており、化学的性質も似ています。しかし、リチウムと比較すると、ナトリウムは資源埋蔵量とコストの点で明らかな利点があります。同時に、ナトリウムイオン電池は急速充電および放電が可能です。このプロセスはリチウム電池と同じであるため、リチウムイオン電池の代替品となる可能性があり、次世代の商用エネルギー貯蔵デバイスとして期待されています。ナトリウムイオン電池の研究が徐々に進歩するにつれて、ナトリウムイオン電池用の正および負のエネルギー貯蔵材料に画期的な進歩が見られました。ナトリウムイオン電池の正極材料には、主に酸化物、ポリアニオン、プルシアンブルー、有機物などがあります。; 負極材料には主にカーボン系、チタン系、有機系、

プルシアンブルー（PB ）は、ナトリウムイオン正極材料の研究における有機金属骨格（財務省 ）の代表的な材料として、その低コスト、調製プロセスの容易さ、中空骨格構造により注目を集めています。研究の結果、PB 由来のナノマテリアルはその特性の一部を継承し、大きな表面積、相互につながった細孔、段階的な細孔サイズを示し、エネルギー貯蔵および変換システムで使用する際に電荷移動を促進できることが示されています。合成条件（温度や雰囲気など）を調整することにより、理想的な構造と特性を備えたナノ材料が得られ、エネルギー貯蔵分野で広く使用できます[1]。図1はプルシアンブルーとその誘導体の結晶構造の模式図です。図２は、プルシアンブルーおよびその派生物のＳＥＭ画像である。

図 1. プルシアンブルーとその誘導体の結晶構造の模式図[1]

図 2. プルシアンブルーとその派生物の SEM 画像:

(a) によって_0.67の_0.33ん_0.67○₂&注意 ;(b) そして_0.67の_0.33ん_0.66SN _0.01○₂ (c) そして_0.67の_0.33ん_0.64SN _0.03○₂ と(d) によって_0.67の_0.33ん_0.62SN _0.05○₂^[2]

アノード材料の中でも、炭素ベースのアノードは、低ナトリウムインターカレーションプラットフォーム、高容量、優れたサイクル安定性を備えているだけでなく、豊富な資源と簡単な製造という利点も備えており、現在最も有望なナトリウム貯蔵アノード材料です。中でもハードカーボン材料は、層間距離が大きい、低コスト、合成方法が簡単、再生可能資源を前駆体として利用できるなどの利点から、商業化に最適な材料となっている。図 3 は、ハードカーボンの合成の概略図と、顕微鏡的な形態および構造の特性図です。

図 3. ハードカーボン合成の概略図と微細構造特性図[3]

この論文では、4 つのプルシアン ブルー (PB ) およびハード カーボン (HC ) 材料を選択し、異なる圧力条件下で導電率と圧縮密度をテストすることで材料間の違いを評価しました。

1. 試験方法

1.1 PRCD3100 (IEST ) は、4 種類のプルシアンブルー (PB -1/PB -2/PB -3/PB -4) 材料と 4 種類のハードカーボン (HC -1/HC -2/ HC -3) に使用されます。 /HC -4) 材料の導電率と圧縮密度をテストしました。このうち、プルシアンブルー材料は 2 プローブモードでテストされ、ハードカーボン材料は 4 プローブモードでテストされました。試験装置を図 2 に示します。

試験パラメータ: 適用圧力範囲は 10 ～ 200MPa、間隔は 20MPa、圧力は 10 秒間維持されます。

図4. (a) PRCD3100の外観

(b) PRCD3100の構造図

2 .テスト結果と分析

プルシアンブルー (PB ) とその類似体は、三次元骨格構造で構成されるチャネルを備えており、ナトリウムイオンの挿入と抽出を容易にすることができ、ナトリウムイオン電池にとって理想的な正極材料です。この材料は、優れたサイクル安定性を備えた 170 mAh /g の理論比容量を提供できます。ただし、電気化学試験におけるサイクル安定性とレート能力が低いため、ナ イオン電池での実際の応用が制限されることがよくあります。電気化学的性能に影響を与える主な理由は、材料の結晶構造に多数の空孔と配位水が現れ、多くの電気化学反応サイトを占有し、材料の比容量が低下することです。&注意 ;

同時に、空孔の存在によりナトリウムイオンの移動により構造が崩壊し、構造内の配位水により材料の導電率が低下します。実際の応用では、研究者はそれを変更することでその物理的および電気化学的特性を最適化します。、材料端での電子伝導性の評価も有効な評価方法として利用できます。図 5 は、PB -1 をベースに PB -2 を改良し、PB -3 をベースに PB -4 を改良した 4 種類のプルシアンブルー材料の抵抗率と導電率の試験結果を示しています。レートテストの結果から、PB -1、PB -3 であることがわかります。>PB -2>PB -4、2 つの改良された材料はより優れた導電性を持っています。

リチウムイオン電池の製造工程において、圧縮密度は電池の性能に大きな影響を与えます。圧縮密度は、比容量、効率、内部抵抗、およびバッテリーサイクル性能に密接に関係しています。図 6 は、4 つのプロイセン材 PB -1 の圧縮密度試験の結果を示しています。>PB -3>PB -4>PB -2では、現状の試験条件での2つの改良材の圧縮密度は良好な結果を示さなかったが、実際の研究開発作業においては、様々な材料を組み合わせて総合的な性能を評価する必要があることが分かる。最終的に全体的な性能がより優れた材料を得ることができるようにすることを意味します。

図 5. (A) 4 つのプルシアン ブルーのような材料の抵抗率テストの結果。

(B) 4種類のプルシアンブルー様物質の導電率試験結果

図 6. 4 つのプルシアンブルーのような材料の圧縮密度テストの結果

ハードカーボン材料は、ナトリウムイオン電池の開発において最も有望な負極材料であると考えられています。研究者らは、ハードカーボン材料の形態を制御したり、細孔構造を導入したり、ハードカーボン材料に三次元インライン構造を構築したりすることにより、速度性能を向上させてきました。さまざまな炭化プロセスを制御することにより、ハードカーボン材料の微細構造、特にグラファイト状の微結晶構造を調整して、ナトリウムイオン挿入の熱力学的プロセスを改善し、材料のナトリウム貯蔵容量を増加させることができます[4]。&注意 ;

本稿で選択した 4 つのハードカーボン材料の抵抗率と導電率の試験結果を図 7 A および B に示します。導電率試験の結果から、HC -1>HC -4>HC -2>HC -3、すなわち HC -1 はより優れた導電性を示します。4 つの材料の圧縮密度試験結果を図 8 に示します。圧縮密度試験結果から、HC -4>HC -1>HC -2>HC -3、4 異なる素材の間には明らかな違いがあります。材料間の導電率と圧縮密度の違いは、材料のプロセス、結晶形態、内部構造、表面状態に関連しています。

図 7. (A) 4 つのハードカーボン材料の抵抗率試験結果。

(B) 4種類のハードカーボン材料の導電性試験結果

図 8. 4 種類のハードカーボン材料の圧縮密度試験結果

3. まとめ

この論文では、粉末抵抗および圧縮密度 (PRCD3100 ) 装置を使用して、ナトリウム イオン電池の正極材料プルシアン ブルーと負極材料ハード カーボン間の導電率と圧縮密度の違いを検出しました。テスト結果は、異なる材料間の違いが明確に区別できることを示しています。材料の物理的特性をテストする効果的な方法として、開発者が材料レベルでの導電率と圧縮密度の違いを迅速に評価するのに役立ちます。

参考文献

[1] チェン J、魏 L、マフムード A、他。プルシアンブルー、その類似体、および電気化学エネルギーの貯蔵と変換のためのそれらの派生材料 - サイエンスダイレクト [J]。エネルギー貯蔵材料、2020、25:585-612。

[2] イ・ジェイ，リストハウス T 、王 J ら Naの構造と酸素活性に対するSn置換の影響_0.67の_0.33ん_0.67○₂&注意 ;ナトリウムイオン電池用正極材料[J]。ジャーナル・オブ・パワーソース、2019、449:227554。

[3] 英 X、ルー Z、王 J、他による高速 ナ の実現⁺&注意 ;超高速ナトリウム貯蔵のためのハードカーボンアノードの全電圧領域における移動速度論[J]。先端材料、2022 年。

[4] 呉君達、趙亜斌、張富明。室温ナトリウムイオン電池の負極材料としてのハードカーボン材料の研究の進歩[J]。山東化学工業、2019、48(9):3。