Development and electrochemical performance of NaTi2(PO4)3|Na0.44MnO2 Sodium-Ion battery

The increasing demand for powering portable electronic devices and zero-emission vehicles drives research towards high-energy and voltage systems. In addition, low-cost batteries are required to advance towards smart electric grids that efficiently integrate intermittent energy flows from renewable resources, thereby enhancing the performance of clean energy sources. Lithium-ion batteries (LIBs) are currently the dominant technology across different applications of electrochemical storage, except for the traditional SLI (starting, lighting, ignition) application, which is reserved for lead-acid batteries. In the search for alternatives to lithium-ion batteries (LIBs), sodium-ion batteries (SIBs), with an organic electrolyte, are a viable solution for several reasons: SIBs rely on abundant and inexpensive material and share insertion chemistry with lithium. Consequently, decades of highly successful Li-ion battery engineering experience can be adapted to accelerate progress in this technology, though alternative electrodes and electrolytes are required to accommodate sodium-based dual intercalation systems. Recent research reviews room-temperature SIB advances in anodes, electrolytes, and cathodes, highlighting aqueous cells as an inherently low-cost, sustainable, and safe opportunity for energy storage. Among the various aqueous energy storage systems that have been studied, the aqueous SIB (ASIB) holds some promise but needs to be investigated more in depth to overcome enduring issues related to electrode materials and electrolytes in order to achieve a higher cell voltage and a reasonable cycle life. This study evaluates the electrochemical performance and optimization of ASIBs using a NaTi₂(PO₄)₃ (NTP) anode in combination with either a birnessite or Na₀.₄₄MnO₂ (NMO) cathode, using a simple 1 M Na₂SO₄ solution. The NTP/birnessite system shows negligible electrochemical activity across varying cathode-to-anode mass ratios; the NTP/NMO configuration exhibits fast capacity decrease using a conventional coin cell assembly, notably at low or intermediate values of C-rate, up to 1 C, with increasing cell voltage hysteresis and polarization of both electrodes, arguably pointing to a loss of sodium ions in either electrode. A notable improvement in electrochemical stability and performance of the NTP/NMO system is achieved by implementing a conditioning treatment of the NMO electrodes before cell assembly. This work offers valuable insights into the optimization of NTP-based sodium-ion batteries and highlights the importance of electrode pre-treatment protocols for achieving stable and reliable electrochemical performance.

La crescente domanda di sistemi di accumulo elettrochimico di energia per fornire potenza a dispositivi elettronici portatili e veicoli a “emissioni zero” orienta la ricerca verso sistemi ad alta densità di energia e lunga vita ciclica. Sistemi di accumulo a basso costo, lunga vita in servizio ed elevate caratteristiche di sicurezza e stabilità sono necessarie per le reti elettriche intelligenti che integrano in modo efficiente i flussi di energia intermittente da risorse rinnovabili, migliorando così le prestazioni delle fonti energetiche pulite. Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono attualmente la tecnologia dominante in diverse applicazioni di stoccaggio elettrochimico, ad eccezione della tradizionale applicazione SLI (starting lighting ignition), riservata alle batterie al piombo. Nella ricerca di alternative alle batterie a ioni litio, le batterie a ioni sodio (SIB) a elettrolita organico rappresentano una soluzione interessante per diverse ragioni. Le SIB richiedono materiali abbondanti e poco costosi e il loro funzionamento si basa su reazioni elettrodiche di intercalazione, come per le LIB. Di conseguenza, decenni di esperienza di progettazione e produzione delle batterie a ione litio possono essere adattati e messi a frutto a beneficio di questa tecnologia, benché naturalmente sia necessario individuare e sviluppare elettrodi ed elettroliti adeguati a un sistema a doppia intercalazione SIB. Un’ulteriore direzione di sviluppo, in prospettiva, risiede nella transizione a sistemi di accumulo acquoso, un'opportunità intrinsecamente a basso costo, sostenibile e sicura per l'accumulo di energia. Tra i vari sistemi acquosi di accumulo elettrochimico che sono stati studiati, le batterie a ioni sodio a elettrolita acquoso (ASIB) si ritengono una soluzione promettente, a cui va dedicata un’intensa attività si sviluppo per superare i problemi persistenti legati ai materiali elettrodici e agli elettroliti, al fine di ottenere una tensione di cella più elevata e una vita ciclica ragionevole. Questo studio valuta le prestazioni elettrochimiche e l'ottimizzazione ASIB utilizzando un anodo NaTi₂(PO₄)₃ (NTP) in combinazione con un catodo di birnessite o Na₀.₄₄MnO₂ (NMO), utilizzando una semplice soluzione 1 M di Na2SO4. Il sistema NTP/birnessite mostra capacità modesta con scarsa influenza del rapporto gravimetrico catodo/anodo. La configurazione NTP/NMO mostra una rapida diminuzione della capacità nell’assemblaggio di batteria a bottone, in particolare a valori bassi o intermedi di C-rate, fino a 1 C, con un’isteresi crescente della tensione di cella e la polarizzazione di entrambi gli elettrodi. Un notevole miglioramento della stabilità elettrochimica e delle prestazioni del sistema NTP/NMO si ottiene mediante un trattamento di condizionamento degli elettrodi NMO prima dell'assemblaggio della cella. Questo lavoro offre interessanti indicazioni per l’ottimizzazione delle batterie agli ioni di sodio basate su NTP e sottolinea l'importanza dei protocolli di pretrattamento degli elettrodi per ottenere prestazioni elettrochimiche stabili e affidabili.