Відродження натрій-іонних акумуляторів кімнатної температури
Завдяки значним запасам натрію (Na) у земній корі та подібним фізико-хімічним властивостям натрію та літію електрохімічне накопичення енергії на основі натрію має значні перспективи для великомасштабного зберігання енергії та розвитку мережі. Наприклад, високотемпературні акумулятори з нульовим викидом для дослідження активності на основі систем Na/NiCl2 і високотемпературні Na–S елементи, які є успішними комерційними прикладами стаціонарного та мобільного застосування, вже продемонстрували потенціал натрієвих акумуляторних батарей. Однак їхня висока робоча температура близько 300 °C викликає проблеми з безпекою та знижує ефективність натрій-іонних батарей (SIB). Таким чином, SIB кімнатної температури (RT) широко розглядаються як найбільш багатообіцяюча альтернативна технологія LIB.
Протягом історії акумуляторів за останні 200 років дослідження SIB палко проводилися пліч-о-пліч з розробкою LIB. Електрохімічна активність TiS2 для літію та його доцільність накопичення енергії були вперше висунуті в 1970-х роках. Після цього відкриття на початку 1980-х років була реалізована здатність іонів Na вставлятися в TiS+2. З відкриттям графіту як недорогого анодного матеріалу помірної ємності для LIB і нездатністю інтеркалювати іони натрію, у 1990-х роках відбувся швидкий розвиток LIB, витіснивши зростання хімії натрію. Потім, у 2000 році, доступність зберігання натрію у твердому вуглеці (HC), що забезпечить енергетичну потужність, подібну до Li в графіті, оживила дослідницький інтерес до SIB.
Порівняння натрієво-іонного акумулятора та літій-іонного акумулятора
Відродження SIBs у поєднанні з постійно зростаючим тиском через брак запасів літію та відповідне зростання вартості забезпечує додаткову стратегію для LIBs. SIBs привернули все більшу увагу дослідників у поєднанні з фундаментальними досягненнями в матеріалознавстві, щоб задовольнити зростаюче проникнення технологій відновлюваної енергії. Компоненти комірки та механізми електрохімічної реакції SIB в основному ідентичні компонентам LIB, за винятком носія заряду, яким є Na в одному та Li в іншому. Основна причина швидкого розширення хімії матеріалів SIB пояснюється паралелями у фізико-хімічних властивостях двох лужних металів.
По-перше, принципи роботи та конструкція комірки SIB подібні до комерційних LIB, хоча носієм заряду є Na. Чотири основні компоненти існують у типовому SIB: матеріал катода (зазвичай сполука, що містить Na); матеріал анода (не обов'язково містить Na); електроліт (у рідкому або твердому стані); і роздільник. Під час процесу заряду іони натрію витягуються з катодів, які зазвичай є шаруватими оксидами металів і поліаніонними сполуками, а потім вставляються в аноди, тоді як струм проходить по зовнішньому ланцюгу в протилежному напрямку. Під час розряду Na залишає аноди та повертається до катодів у процесі, який називають «принципом крісла-гойдалки». Ці подібності дозволили отримати попереднє розуміння та швидке зростання технології SIB.
Крім того, більший іонний радіус Na має власні переваги: підвищена гнучкість електрохімічної позитивності та знижена енергія десольватації в полярних розчинниках. Більший розрив в іонному радіусі між Li та іонами перехідного металу зазвичай призводить до втрати гнучкості конструкції матеріалу. Навпаки, система на основі натрію забезпечує більш гнучкі тверді структури, ніж система на основі літію, і має величезну іонну провідність. Типовим прикладом є β-Al2O3, для якого інтеркаляція Na має ідеальний розмір і високу провідність. Більш шаруваті оксиди перехідних металів з різними способами укладання M+x+ можуть бути легко реалізовані в системі на основі натрію. Так само велика різноманітність кристалічних структур, відомих для сімейства натрієвих іонних провідників (NaSICON), набагато складніша, ніж у літієвих аналогів. Що ще важливіше, у сполуках NaSICON можна дозволити набагато вищу іонну провідність, яка значно перевищує іонну провідність у сполуках літієвого іонного провідника (LiSICON).
І останнє, але не менш важливе: систематичні дослідження з різними апротонними полярними розчинниками продемонстрували, що більший іонний радіус Na викликає меншу енергію десольватації. Менший Li має вищу щільність поверхневого заряду навколо ядра, ніж Na, коли обидва мають однакову валентність. Таким чином, літій термодинамічно стабілізується шляхом спільного використання більшої кількості електронів із молекулами полярного розчинника. Тобто Li можна класифікувати як тип кислоти Льюїса. Як наслідок, для сильно поляризованого літію необхідна відносно висока енергія десольватації, що призводить до відносно великого опору передачі, індукованого транспортуванням літію з рідкого стану (електроліт) у твердий стан (електрод). Оскільки енергія десольватації тісно пов’язана з кінетикою перенесення, що відбувається на межі рідина/тверде тіло, відносно низька енергія десольватації є значною перевагою для розробки потужних SIB.
