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Scientific Reports volume 12, Artigo número: 16307 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

As baterias de íon de sódio são preferidas no armazenamento de energia estacionário e em grande escala devido ao seu baixo custo e não toxicidade. Como o lítio é substituído por sódio devido ao custo, é necessário um método de processamento barato para manter o preço da célula o mais baixo possível. Relatamos um método de síntese ultrarrápido que utiliza a alta absorvância de microondas do teor de carboneto de silício na cinza de palha de arroz. Misturas amorfas/maricite de compósitos de fosfato de ferro e sódio-carbono (NaFePO4-C) são sintetizadas, cristalizadas e revestidas com carbono usando aquecimento por microondas em uma etapa. Os compósitos eletroativos de íon sódio são preparados utilizando diferentes durações de aquecimento por microondas variando de 30 a 100 s. Gases inertes de alta pureza não são necessários durante a síntese, processamento e até mesmo na montagem da célula. Os materiais são caracterizados por técnicas de análise elementar, difração de raios X (XRD), microscópio eletrônico de varredura/transmissão (SEM/TEM) e espectroscopia Raman. O desempenho eletroquímico dos nanocompósitos sintetizados é examinado como cátodo de bateria de íons de sódio e como supercapacitores simétricos. O tempo de síntese ideal é de 60 s para aplicação como baterias de íons de sódio e como supercapacitor. A capacidade específica máxima é de 108,4 mA hg−1 a 0,2 C no caso de utilização como cátodo de bateria. Enquanto a capacitância é 86 F g−1 a 0,5 A g−1 como um supercapacitor. A retenção de capacidade é de 92,85% após 40 ciclos a 0,2 C como eletrodo de bateria de íon de sódio. Para supercapacitor, a retenção de capacidade é de 81,7% após 1000 ciclos.

Aplicações móveis como veículos elétricos (VEs), laptops e telefones celulares foram invadidos pelas tecnologias de íons de lítio devido às altas capacidades gravimétricas específicas das células de Li1. Os temores de esgotamento do lítio surgiram cedo para estabelecer os fundamentos de sua substituição por tecnologias de íons de sódio, especialmente em aplicações estacionárias e comuns em grande escala2,3. O sódio possui muitas características muito próximas às do lítio, principalmente sua eletronegatividade e raio iônico. Por outro lado, o sódio é amigo do ambiente e a sua abundância na crosta terrestre é cerca de 1350 vezes superior à do lítio4. Muitos nanomateriais foram revelados como cátodos e ânodos para baterias de íons de sódio (SIBs) e foram publicados em outros lugares5,6,7,8. Os fosfatos de sódio e vanádio (NVP) Na3V2(PO4)3 e Na3VCr(PO4)3 com estruturas NASICON estavam entre os materiais catódicos ativos de maior sucesso devido ao seu potencial de descarga alto e plano a 3,4 V vs Na/Na+, o que maximiza a densidade de energia. Eles também têm a vantagem de capacidade de alta taxa devido à sua estrutura de estrutura aberta supercondutora de íons de sódio. No entanto, apenas dois dos três íons Na+ estão disponíveis neste alto potencial, resultando em uma capacidade teórica relativamente baixa de 118 mA hg–1. Além disso, seu custo é relativamente elevado9,10. Como matéria-prima, o óxido de ferro custa um décimo do custo do óxido de vanádio, o que reduz a vantagem de custo do uso de NVP quando comparado com LiFePO411. O fosfato de ferro e sódio em suas diferentes formas fornece um material barato como cátodos de baterias de íons de sódio, além de sua segurança ambiental5. Maricita, Olivina e formas amorfas de NaFePO4, todas com capacidade teórica de 152 mA hg-1, foram exploradas como materiais catódicos ativos e de baixo custo para SIBs . A olivina NaFePO4 pode ser preparada apenas a partir de LiFePO4 por delitiação eletroquímica e subsequente sodiação. Possui baixa condutividade iônica devido aos seus túneis de difusão Na / Li de direção única . A conversão da maricita NaFePO4 em fase amorfa foi relatada por Kim et al. após a dessodação completa, de modo que a maricita e o NaFePO4 amorfo podem ser considerados como tendo o mesmo impacto eletroquímico que os materiais catódicos .

Os fosfatos de metais de transição isentos de metais alcalinos são materiais atraentes para supercapacitores simétricos e assimétricos e muitos relatórios foram revisados ​​por Li et al.18. Em um número limitado de artigos, materiais de fosfato de metal de transição Li/Na que eram originalmente ativos como cátodo de íon Li/Na em baterias foram utilizados como materiais ativos em supercapacitores eletroquímicos assimétricos. Eles exibiram boas capacitâncias e excelentes estabilidades cíclicas . NaNiPO4 forneceu 125 F g-1 quando 2 M de NaOH foram usados ​​como eletrólito e a faixa de tensão foi de 0–1,6 V20. Sundaram et al. preparou NaMn1/3Co1/3Ni1/3PO4 com estrutura Maricite, o supercapacitor assimétrico versus carbono que relatou uma capacitância específica de 40 F g-1 quando 1 M NaPF6 em EC/DMC foi usado como eletrólito e a faixa de tensão foi 0–3 V21.