Presentación

Con el rápido desarrollo de la tecnología, todos sabemos que las baterías de iones de litio (LIB) se utilizan en productos eléctricos y vehículos eléctricos para almacenar energía, y es probable que su demanda aumente. Sin embargo, como el litio no es un metal abundante, resulta caro. El sodio, en cambio, es abundante y barato, y el interés por las baterías de iones de sodio (SIB) no deja de crecer.

Entre los materiales que se han investigado para su uso como electrodos negativos de SIB figuran el carbono duro y el estaño. El carbono duro puede someterse a más de 100 ciclos, pero sólo tiene una capacidad de unos 250 mAh/g. Las pilas de sodio con electrodos de carbono duro son más pequeñas que las pilas de litio equivalentes. Por otro lado, el estaño tiene una capacidad de alrededor de 500 mAh/g, pero sufre de un pobre rendimiento cíclico (sólo unos pocos ciclos) y de la contracción del volumen del electrodo de estaño (aproximadamente 5,3 veces mayor que el de carbono duro) debido a la alta expansión, acompañada de la incrustación (aleación) y extracción (desaleación) de iones de Na. estos procesos de aleación/desaleación del Sn con Na son similares a los procesos de aleación/desaleación del Sn con Li. Por lo tanto, un factor clave es la inhibición de los cambios de volumen durante el ciclado por parte del electrodo basado en estaño. Como se muestra en la Figura 6 del artículo original, el rendimiento cíclico de los electrodos de estaño para SIBs puede mejorarse mediante el uso de aglutinantes de ácido poliacrílico (PAA). En este estudio, la capacidad del electrodo de Sn se mantuvo en torno a los 500 mAh/g tras 20 ciclos. El aglutinante es, por tanto, uno de los materiales componentes más importantes del electrodo.

Sony Corporation comercializó por primera vez las BIB que utilizan ánodos de Sn-Co. Los ánodos de Sn-Co presentan un buen rendimiento de ciclado porque el cobalto no se alea con el litio y el cobalto amortigua el cambio de volumen del electrodo durante el ciclado. En este artículo se evalúan las propiedades de los electrodos de Sn-Co utilizados electroquímicamente para los SIB con el fin de revelar la correlación entre el rendimiento de ciclado y el aglutinante.

Se prepararon electrodos de Sn-Co utilizando fluoruro de polivinilideno (PVdF) o PAA como aglutinante. Las propiedades electroquímicas de los electrodos de Sn-Co con aglutinante PAA se examinaron realizando experimentos de descarga-carga con corriente constante y los resultados se compararon con los obtenidos utilizando PVdF como aglutinante. Además, por primera vez, se evaluaron mediante microscopía óptica in situ los cambios de volumen de los electrodos de Sn-Co con PAA o PVdF durante la inserción (aleación)/extracción (desaleación) de iones Na. Los cambios en la estructura cristalina del Sn-Co durante el ciclado se caracterizaron mediante difracción de rayos X (DRX) y los cambios morfológicos durante el ciclado se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) y microscopía óptica.

Aplicaciones

Este artículo se centra en el rendimiento electroquímico del Sn-Co para mostrar la correlación entre el rendimiento cíclico y el aglutinante del material componente del electrodo. En comparación con el fluoruro de polivinilideno (PVdF), los electrodos de Sn-Co fabricados con ácido poliacrílico (PAA) presentan un mejor rendimiento cíclico (~300 mAh/g durante 30 ciclos). Esta mejor característica de ciclado del PAA se debe al ligero cambio en el volumen del electrodo durante el ciclado, tal y como revela la microscopía óptica in situ. Además, la predotación de Na en los electrodos de Sn-Co aumentó la eficiencia coulómbica media de 95,4% a 99,9% a 2-10 ciclos.

La imagen 1 muestra los cambios en el volumen del electrodo durante el ciclado observados mediante un microscopio óptico in situ (LasertecCorp., ECCSB310). La expansión y contracción del electrodo se estimó en el modo de análisis en línea. La celda circular utilizada para la microscopía óptica in situ era un septo de polipropileno empapado y apilado (19 mm de diámetro) que constaba de un contraelectrodo de lámina de sodio (0,2 mm de espesor y 15 mm de diámetro), una solución electrolítica (1 mol/l NaPF6 EC:DEC 1:1 en volumen) y un electrodo de trabajo de Sn-Co (0,02 mm de espesor y 14 mm de diámetro). . La célula circular se cortó en un semicírculo con la sección transversal de Na/separador (NaPF6 EC:DEC 1:1 en volumen)/Sn-Co expuesta. A continuación, la célula se colocó en un soporte de microscopio óptico como se muestra en la figura 1. Se realizaron ensayos de descarga-carga en las mismas condiciones que para las pilas tipo moneda y las secciones transversales se observaron a través de una ventana de visualización utilizando un microscopio óptico.

Fuente

Por Y. Yui, Y. Ono, Hayashi, Y. Nemoto, K. Hayashi, K. Asakura y H. Kitabayashi

Institución: NTT Energy and EnvironmentSystems Laboratories, Nippon Telegraph and Telephone Corporation, Kanagawa 243-0198, Japón.

Publicado: Manuscrito enviado el 21 de octubre de 2014; manuscrito revisado recibido el 16 de diciembre de 2014. Publicado el 8 de enero de 2015. Este artículo forma parte del FocusIssue of Selected Presentations from IMLB 2014).

Revista: Journal of The ElectrochemicalSociety, 162 (2) A3098-A3102 (2015)

Sitio web fuente del artículo.Propiedades de inserción/extracción de iones de sodio de ánodos de Sn-Co y ánodos de Sn-Co predopados con Na