Szobahőmérsékletű nátrium-ion akkumulátorok újjáélesztése
A földkéregben található bőséges nátrium (Na) készletek, valamint a nátrium és a lítium hasonló fizikai-kémiai tulajdonságai miatt a nátrium alapú elektrokémiai energiatárolás jelentős ígéretet jelent a nagyszabású energiatárolás és hálózatfejlesztés terén. Például a magas hőmérsékletű nulla emissziós akkumulátor-kutatási cellák Na/NiCl2 rendszereken és magas hőmérsékletű Na-S cellákon, amelyek a helyhez kötött és mobil alkalmazások sikeres kereskedelmi példái, már bizonyították a nátrium alapú újratölthető akkumulátorokban rejlő lehetőségeket. Magas, 300 °C körüli üzemi hőmérsékletük azonban biztonsági problémákat okoz, és csökkenti a nátrium-ion akkumulátorok (SIB) visszaút hatékonyságát. A szobahőmérsékletű (RT) SIB-ket ezért széles körben a LIB-k legígéretesebb alternatív technológiájának tekintik.
Az akkumulátorok elmúlt 200 évének története során az SIB-ekkel kapcsolatos kutatásokat buzgón végezték a LIB fejlesztésével párhuzamosan. A TiS2 elektrokémiai aktivitását lítiumra és energiatárolásra való alkalmasságát először az 1970-es években vetették fel. Ezt a felfedezést követően az 1980-as évek elején realizálták a Na-ionok TiS+2-be való beilleszthetőségét. A grafitnak, mint alacsony költségű és közepes kapacitású anódanyagnak a LIB-k számára való felfedezésével, valamint a nátriumionok interkalációjának kudarcával, az 1990-es években gyors LIB-fejlődés következett be, felváltva a nátriumkémia növekedését. Aztán 2000-ben a kemény szénben (HC) lévő nátrium tárolására való rendelkezésre állás, amely a grafitban lévő Li energiakapacitásához hasonló energiakapacitást biztosítana, megújította a SIB-ek iránti kutatási érdeklődést.
A nátrium-ion akkumulátor és a lítium-ion akkumulátor összehasonlítása
A SIB-ek újjáéledése – párosulva a lítiumtartalékok hiányából fakadó egyre növekvő nyomással és a költségek ennek megfelelő emelkedésével – kiegészítő stratégiát biztosít a LIB-k számára. A SIB-k egyre nagyobb kutatási figyelmet kaptak az anyagtudomány alapvető vívmányaival párosulva a megújulóenergia-technológiák növekvő elterjedésének kielégítése érdekében. A SIB-ek sejtkomponensei és elektrokémiai reakciómechanizmusai alapvetően megegyeznek a LIB-ekéivel, kivéve a töltéshordozót, amely az egyikben Na, a másikban Li. A SIB anyagok kémiájának gyors terjedésének fő oka a két alkálifém fizikai-kémiai tulajdonságainak párhuzamának tulajdonítható.
Először is, a SIB-k működési elvei és sejtfelépítése hasonló a kereskedelmi LIB-kéihez, bár a Na szolgál töltéshordozóként. Egy tipikus SIB-ben négy fő komponens található: katódanyag (általában Na-tartalmú vegyület); anódanyag (nem feltétlenül tartalmaz nátriumot); elektrolit (folyékony vagy szilárd állapotban); és egy elválasztó. A töltési folyamat során nátriumionokat vonnak ki a katódokból, amelyek jellemzően réteges fémoxidok és polianionos vegyületek, majd az anódokba kerülnek, miközben az áram egy külső áramkörön keresztül az ellenkező irányba halad. Kisütéskor a Na elhagyja az anódokat, és visszatér a katódokba a „hintaszék elvének” nevezett folyamat során. Ezek a hasonlóságok lehetővé tették a SIB technológia előzetes megértését és gyors növekedését.
Ezenkívül a Na nagyobb ionsugara meghozza a maga előnyeit: az elektrokémiai pozitivitás megnövekedett rugalmasságát és a poláris oldószerekben a deszolvatációs energia csökkenését. A Li és az átmenetifém-ionok közötti ionsugár nagyobb hézaga általában az anyagtervezés rugalmasságának meghibásodásához vezet. Ezzel szemben a nátrium alapú rendszer rugalmasabb szilárd szerkezeteket tesz lehetővé, mint a lítium alapú rendszer, és hatalmas ionvezető képességgel rendelkezik. Tipikus példa erre a β-Al2O3, amelyhez a Na interkaláció tökéletes méretű és nagy vezetőképességű. Több rétegű átmenetifém-oxidok, eltérő M+x+ halmozási móddal, könnyen megvalósíthatók nátrium alapú rendszerben. Hasonlóképpen, a nátriumionos vezetők (NaSICON) családjáról ismert kristályszerkezetek széles választéka sokkal bonyolultabb, mint a lítium-analógoké. Ennél is fontosabb, hogy a NaSICON vegyületekben sokkal nagyobb ionvezetőképesség engedhető meg, ami messze meghaladja a lítium-ionos vezető (LiSICON) vegyületek ionvezetőképességét.
Végül, de nem utolsósorban, a különböző aprotikus poláris oldószerekkel végzett szisztematikus vizsgálatok kimutatták, hogy a Na nagyobb ionsugára gyengébb deszolvatációs energiát okoz. A kisebb Li nagyobb felületi töltéssűrűséggel rendelkezik a mag körül, mint a Na, ha mindkettőnek azonos a vegyértéke. A Li ezért termodinamikailag stabilizálódik azáltal, hogy több elektront oszt meg a poláris oldószermolekulákkal. Vagyis a Li a Lewis-sav egyik típusába sorolható. Ennek eredményeként viszonylag nagy deszolvatációs energiára van szükség az erősen polarizált Li-hez, ami viszonylag nagy átviteli ellenállást idéz elő a Li folyékony halmazállapotból (elektrolit) szilárd halmazállapotba (elektródába) történő szállítása miatt. Mivel a deszolvatációs energia szorosan összefügg a folyadék/szilárd felület határfelületén fellépő transzfer kinetikájával, a viszonylag alacsony deszolvatációs energia jelentős előnyt jelent a nagy teljesítményű SIB-ek tervezésénél.