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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16307 (2022) Citare questo articolo

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Le batterie agli ioni di sodio sono preferite nello stoccaggio di energia stazionario e su larga scala a causa del loro basso costo e della loro non tossicità. Poiché il litio viene sostituito con sodio per ragioni di costo, è necessario un metodo di lavorazione economico per mantenere il prezzo delle celle il più basso possibile. Riportiamo un metodo di sintesi ultraveloce che utilizza l'elevato assorbimento delle microonde del contenuto di carburo di silicio nelle ceneri di paglia di riso. Miscele amorfe/maricite di compositi sodio ferro fosfati-carbonio (NaFePO4-C) vengono sintetizzate, cristallizzate e rivestite con carbonio utilizzando il riscaldamento a microonde in una sola fase. I compositi elettroattivi agli ioni di sodio vengono preparati utilizzando diverse durate di riscaldamento a microonde che vanno da 30 a 100 s. Non sono necessari gas inerti ad elevata purezza durante la sintesi, la lavorazione e nemmeno durante l'assemblaggio delle celle. I materiali sono caratterizzati da tecniche di analisi elementare, diffrazione di raggi X (XRD), microscopio elettronico a scansione/trasmissione (SEM/TEM) e spettroscopia Raman. Le prestazioni elettrochimiche dei nanocompositi sintetizzati vengono esaminate come catodo di batterie agli ioni di sodio e come supercondensatori simmetrici. Il tempo di sintesi ottimale è di 60 s per l'applicazione come batterie agli ioni di sodio e come supercondensatore. La capacità specifica massima è 108,4 mA hg−1 a 0,2 C nel caso di utilizzo come catodo di batteria. Mentre la capacità è 86 F g−1 a 0,5 A g−1 come supercondensatore. La ritenzione della capacità è del 92,85% dopo 40 cicli a 0,2 C come elettrodo della batteria agli ioni di sodio. Per il supercondensatore, la ritenzione di capacità è dell'81,7% dopo 1000 cicli.

Le applicazioni mobili come i veicoli elettrici (VE), i computer portatili e i telefoni cellulari sono state invase dalle tecnologie agli ioni di litio a causa delle elevate capacità gravimetriche specifiche delle celle al litio1. I timori sull’esaurimento del litio sono arrivati ​​presto per gettare le basi della sua sostituzione con tecnologie agli ioni di sodio, soprattutto nelle applicazioni comuni stazionarie e su larga scala2,3. Il sodio ha molte caratteristiche molto vicine a quelle del litio, in particolare l'elettronegatività e il raggio ionico. D'altro canto il sodio è rispettoso dell'ambiente e la sua abbondanza nella crosta terrestre è circa 1350 volte superiore a quella del litio4. Molti nanomateriali sono stati rivelati come catodi e anodi per batterie agli ioni di sodio (SIB) e sono stati pubblicati altrove5,6,7,8. I fosfati di sodio vanadio (NVP) Na3V2(PO4)3 e Na3VCr(PO4)3 con strutture NASICON sono stati tra i materiali catodici attivi di maggior successo grazie al loro potenziale di scarica elevato e piatto a 3,4 V rispetto a Na/Na+, che massimizza la densità di energia. Hanno anche il vantaggio di capacità ad alta velocità grazie alla loro struttura a struttura aperta superconduttrice di ioni sodio. Tuttavia, solo due dei tre ioni Na+ sono disponibili a questo potenziale elevato, risultando in una capacità teorica relativamente bassa di 118 mA hg−1. Inoltre, il loro costo è relativamente elevato9,10. Come materia prima, l'ossido di ferro costa un decimo del costo dell'ossido di vanadio, il che riduce il vantaggio in termini di costi dell'utilizzo di NVP rispetto a LiFePO411. Il fosfato di sodio e ferro con le sue diverse forme fornisce un materiale economico come i catodi delle batterie agli ioni di sodio, oltre alla loro sicurezza ambientale5. La maricite, l'olivina e le forme amorfe di NaFePO4, tutte con una capacità teorica di 152 mA hg−1, sono state esplorate come materiali catodici attivi a basso costo per i SIB12,13,14,15,16. L'olivina NaFePO4 può essere preparata solo da LiFePO4 mediante delitiazione elettrochimica e successiva sodiazione. Possiede una bassa conduttività ionica grazie ai suoi tunnel di diffusione Na/Li unidirezionali12,17. La conversione della maricite NaFePO4 in fase amorfa è stata riportata da Kim et al. dopo la completa desodiazione, in modo che si possa considerare che la maricite e il NaFePO4 amorfo abbiano lo stesso impatto elettrochimico dei materiali catodici13.

I fosfati dei metalli di transizione privi di metalli alcalini sono materiali interessanti per supercondensatori simmetrici e asimmetrici e molti rapporti sono stati esaminati da Li et al.18. In un numero limitato di articoli, i materiali fosfati di metalli di transizione Li/Na che erano originariamente attivi come catodo di ioni Li/Na nelle batterie sono stati utilizzati come materiali attivi nei supercondensatori elettrochimici asimmetrici. Hanno mostrato buone capacità ed eccellenti stabilità cicliche19,20,21. NaNiPO4 erogava 125 F g−1 quando come elettrolita venivano utilizzati 2 M di NaOH e l'intervallo di tensione era 0–1,6 V20. Sundaram et al. preparato NaMn1/3Co1/3Ni1/3PO4 con struttura Maricite, il supercondensatore asimmetrico rispetto al carbonio che riportava una capacità specifica di 40 F g−1 quando come elettrolita veniva utilizzato NaPF6 1 M in EC/DMC e l'intervallo di tensione era 0–3 V21.