Оживување на натриум-јонски батерии на собна температура
Поради обилните резерви на натриум (Na) во Земјината кора и сличните физичко-хемиски својства на натриумот и литиумот, електрохемиското складирање на енергија базирано на натриум дава значајно ветување за складирање на енергија во големи размери и развој на мрежата. На пример, ќелиите за истражувачка активност на батерии со нулта емисија на висока температура засновани на системи Na/NiCl2 и Na-S ќелии со висока температура, кои се успешни комерцијални случаи на стационарни и мобилни апликации, веќе го покажаа потенцијалот на батериите за полнење базирани на натриум. Сепак, нивната висока работна температура од околу 300 °C предизвикува безбедносни проблеми и ја намалува ефикасноста на натриум-јонските батерии (SIB). Затоа, SIB со собна температура (RT) се смета за најперспективна алтернативна технологија за LIB.
Во текот на историјата на батериите во изминатите 200 години, истражувањето на SIB беше жестоко спроведено рамо до рамо со развојот на LIB. Електрохемиската активност на TiS2 за литиум и неговата изводливост за складирање на енергија за првпат беше изнесена во 1970-тите. По ова откритие, способноста на јоните на Na да се вметнуваат во TiS+2 беше реализирана во раните 1980-ти. Со откривањето на графитот како евтин и среден капацитет на аноден материјал за LIB и неуспехот да се интеркалираат натриумовите јони, брзиот развој на LIB се случи во 1990-тите, надминувајќи го растот во хемијата на натриум. Потоа, во 2000 година, достапноста за складирање на натриум во тврд јаглерод (HC), кој би испорачал енергетски капацитет сличен на оној на Li во графитот, го подмлади истражувачкиот интерес за SIB.
Споредба на натриум-јонска батерија и литиум-јонска батерија
Заживувањето на SIB - заедно со постојано зголемување на притисокот од недостатокот на достапност на резерви на литиум и соодветната ескалација на трошоците - обезбедува комплементарна стратегија за LIBs. СИБ добија зголемено истражувачко внимание, комбинирано со фундаментални достигнувања во науката за материјали, во обидот да се задоволи зголемената пенетрација на технологиите за обновлива енергија. Компонентите на ќелиите и механизмите за електрохемиска реакција на SIB се во основа идентични со оние на LIB, освен за носачот на полнеж, кој е Na во едната и Li во другата. Главната причина за брзото проширување во хемијата на SIB материјалите се припишува на паралелите во физичко-хемиските својства помеѓу двата алкални метали.
Прво, принципите на работа и изградбата на ќелиите на SIB се слични на оние на комерцијалните LIB, иако Na служи како носител на полнење. Во типичен SIB постојат четири главни компоненти: катоден материјал (обично соединение што содржи Na); аноден материјал (не мора да содржи Na); електролит (во течна или цврста состојба); и сепаратор. За време на процесот на полнење, натриумовите јони се извлекуваат од катодите, кои обично се слоевити метални оксиди и полианјонски соединенија, а потоа се вметнуваат во анодите, додека струјата патува преку надворешно коло во спротивна насока. При празнење, Na ги напушта анодите и се враќа во катодите во процес познат како „принцип на стол-лулка“. Овие сличности овозможија прелиминарно разбирање и брз раст во технологијата SIB.
Покрај тоа, поголемиот јонски радиус на Na носи свои предности: зголемена флексибилност на електрохемиската позитивност и намалена енергија на де-солвација во поларните растворувачи. Поголемиот јаз во јонскиот радиус помеѓу Li и јоните на преодниот метал обично доведува до откажување на флексибилноста на дизајнот на материјалот. Спротивно на тоа, системот базиран на натриум овозможува пофлексибилни цврсти структури од системот базиран на литиум и поседува огромна јонска спроводливост. Типичен пример е β-Al2O3, за кој интеркалацијата на Na има совршена големина и висока спроводливост. Повеќеслојните оксиди на преодни метали со различни начини на натрупување M+x+ може лесно да се реализираат во систем базиран на натриум. Слично на тоа, широката разновидност на кристални структури кои се познати по семејството на натриум јонски проводници (NaSICON) е многу посложена од онаа на аналози на литиум. Уште поважно, многу поголема јонска спроводливост може да се дозволи во соединенијата NaSICON, што далеку ја надминува јонската спроводливост во соединенијата на литиум јонски спроводници (LiSICON).
Последно, но не и најмалку важно, систематските испитувања со различни апротични поларни растворувачи покажаа дека поголемиот јонски радиус на Na предизвикува послаба енергија на десолвација. Помалиот Li има поголема густина на површинскиот полнеж околу јадрото од Na кога и двете поседуваат иста валентност. Затоа, Li е термодинамички стабилизиран со споделување на повеќе електрони со молекулите на поларните растворувачи. Односно, Ли може да се класифицира како вид на Луисова киселина. Како резултат на тоа, потребна е релативно висока енергија на десолвација за високополаризираниот Li, што доведува до релативно голем отпор на пренос што е предизвикан од транспортот на Li од течна состојба (електролит) во цврста состојба (електрода). Бидејќи енергијата на десолвација е тесно поврзана со преносната кинетика која се јавува на интерфејсот течност/цврста, релативно ниската енергија на десолвација е значајна предност за дизајнирање на SIB со голема моќност.