Toatemperatuuril kasutatavate naatriumioonakude taaselustamine
Maakoore rohkete naatriumi (Na) reservide ning naatriumi ja liitiumi sarnaste füüsikalis-keemiliste omaduste tõttu on naatriumipõhisel elektrokeemilisel energiasalvestusel märkimisväärne lubadus suuremahuliseks energia salvestamiseks ja võrgu arendamiseks. Näiteks kõrge temperatuuriga nullheitmepatareide uurimistegevuse rakud, mis põhinevad Na / NiCl2 süsteemidel ja kõrge temperatuuriga Na-S elemendid, mis on statsionaarsete ja mobiilsete rakenduste edukad kaubanduslikud juhtumid, on juba näidanud naatriumipõhiste laetavate akude potentsiaali. Nende kõrge töötemperatuur, umbes 300 °C, põhjustab aga turvaprobleeme ja vähendab naatriumioonakude (SIB) edasi-tagasi efektiivsust. Seetõttu peetakse ruumitemperatuuri (RT) SIB-sid laialdaselt LIB-de kõige lootustandvamaks alternatiivseks tehnoloogiaks.
Akude ajaloo jooksul viimase 200 aasta jooksul on SIB-ide uurimist innukalt teostatud kõrvuti LIB-i arendamisega. TiS2 elektrokeemiline aktiivsus liitiumi jaoks ja selle teostatavus energia salvestamiseks esitati esmakordselt 1970. aastatel. Pärast seda avastust realiseeriti 1980. aastate alguses Na-ioonide võime sisestada TiS+2-sse. Grafiidi kui odava ja mõõduka võimsusega anoodimaterjali avastamisega LIB-de jaoks ning naatriumiioonide interkalatsiooni ebaõnnestumisega toimus 1990. aastatel LIB kiire areng, mis asendas naatriumkeemia kasvu. Seejärel, 2000. aastal, suurendas naatriumi säilitamise kättesaadavus kõvas süsinikus (HC), mis tagaks grafiidis oleva Li omaga sarnase energiamahu, taaselustas huvi SIB-de vastu.
Naatrium-ioonaku ja liitiumioonaku võrdlus
SIB-de taaselustamine koos liitiumivarude puudumisest tuleneva üha suureneva survega ja vastavate kulude suurenemisega pakub LIB-idele täiendavat strateegiat. SIB-d on pälvinud üha suuremat tähelepanu teadusuuringutele koos materjaliteaduse põhisaavutustega, püüdes rahuldada taastuvenergiatehnoloogiate kasvavat levikut. SIB-de rakukomponendid ja elektrokeemilised reaktsioonimehhanismid on põhimõtteliselt identsed LIB-de omadega, välja arvatud laengukandja, milleks ühes on Na ja teises Li. SIB materjalide keemia kiire laienemise peamiseks põhjuseks on kahe leelismetalli füüsikalis-keemiliste omaduste paralleelid.
Esiteks on SIB-de tööpõhimõtted ja rakukonstruktsioon sarnased kaubanduslike LIB-de omadega, kuigi laengukandjana toimib Na. Tüüpilises SIB-s on neli põhikomponenti: katoodmaterjal (tavaliselt Na-sisaldusega ühend); anoodimaterjal (ei pruugi sisaldada Na); elektrolüüt (vedelas või tahkes olekus); ja eraldaja. Laadimisprotsessi käigus ekstraheeritakse naatriumioonid katoodidest, mis on tavaliselt kihilised metallioksiidid ja polüanioonsed ühendid, ning sisestatakse seejärel anoodidesse, samal ajal kui vool liigub välise vooluahela kaudu vastupidises suunas. Tühjenemisel lahkub Na anoodidelt ja naaseb katoodidele protsessis, mida nimetatakse "kiiktooli põhimõtteks". Need sarnasused on võimaldanud SIB-tehnoloogia esialgset mõistmist ja selle kiiret kasvu.
Veelgi enam, Na suurem ioonraadius toob kaasa oma eelised: elektrokeemilise positiivsuse suurem paindlikkus ja vähenenud desolvatatsioonienergia polaarsetes lahustites. Suurem lõhe ioonraadiuses Li ja siirdemetalliioonide vahel põhjustab tavaliselt materjali disaini paindlikkuse ebaõnnestumist. Seevastu naatriumipõhine süsteem võimaldab paindlikumaid tahkeid struktuure kui liitiumipõhine süsteem ja sellel on tohutu ioonjuhtivus. Tüüpiline näide on β-Al2O3, mille jaoks Na interkalatsioonil on ideaalne suurus ja kõrge juhtivus. Naatriumipõhises süsteemis saab hõlpsasti realiseerida kihilisemaid siirdemetallioksiide, millel on erinevad M + x + virnastamisviisid. Samamoodi on naatriumioonjuhtide (NaSICON) perekonna tuntud kristallstruktuuride lai valik palju keerulisem kui liitiumi analoogide oma. Veelgi olulisem on see, et NaSICON-ühendites võib lubada palju suuremat ioonjuhtivust, mis ületab kaugelt liitiumioonjuhi (LiSICON) ühendite ioonjuhtivuse.
Viimane, kuid mitte vähem oluline, süstemaatilised uuringud erinevate aprotoonsete polaarsete lahustitega on näidanud, et Na suurem ioonraadius põhjustab nõrgema desolvatatsioonienergia. Väiksemal Li-l on südamiku ümber suurem pinnalaengu tihedus kui Na, kui mõlemal on sama valents. Li on seetõttu termodünaamiliselt stabiliseeritud, jagades polaarsete lahusti molekulidega rohkem elektrone. See tähendab, et Li võib liigitada Lewise happe tüübiks. Selle tulemusena on kõrge polarisatsiooniga Li jaoks vaja suhteliselt suurt desolvatatsioonienergiat, mille tulemuseks on suhteliselt suur ülekandetakistus, mille põhjustab Li transportimine vedelast olekust (elektrolüüdist) tahkesse olekusse (elektrood). Kuna desolvatatsioonienergia on tihedalt seotud vedeliku/tahke liidesel toimuva ülekandekineetikaga, on suhteliselt madal desolvatatsioonienergia suure võimsusega SIB-de projekteerimisel oluline eelis.
