Oživení sodíkových iontových baterií pokojové teploty
Vzhledem k bohatým zásobám sodíku (Na) v zemské kůře a podobným fyzikálně-chemickým vlastnostem sodíku a lithia je elektrochemické skladování energie na bázi sodíku významným příslibem pro skladování energie ve velkém a rozvoj sítě. Například vysokoteplotní nulové emisní baterie výzkumné aktivity založené na systémech Na/NiCl2 a vysokoteplotní Na–S články, které jsou úspěšnými komerčními případy stacionárních a mobilních aplikací, již prokázaly potenciál dobíjecích baterií na bázi sodíku. Jejich vysoká provozní teplota kolem 300 °C však způsobuje bezpečnostní problémy a snižuje účinnost sodíkových iontových baterií (SIB). SIB při pokojové teplotě (RT) jsou proto široce považovány za nejslibnější alternativní technologii k LIB.
V průběhu historie baterií za posledních 200 let byl výzkum SIB horlivě prováděn souběžně s vývojem LIB. Elektrochemická aktivita TiS2 pro lithium a jeho proveditelnost pro skladování energie byla poprvé předložena v 70. letech 20. století. Po tomto objevu byla na počátku 80. let realizována schopnost Na iontů vkládat do TiS+2. S objevem grafitu jako levného anodového materiálu se střední kapacitou pro LIB a neschopností interkalovat sodíkové ionty došlo v 90. letech 20. století k rychlému rozvoji LIB, který nahradil růst sodíkové chemie. Poté, v roce 2000, dostupnost pro ukládání sodíku v tvrdém uhlíku (HC), který by přinesl energetickou kapacitu podobnou kapacitě Li v grafitu, omladila výzkumný zájem o SIB.
Srovnání sodíkové a lithium-iontové baterie
Oživení SIB – ve spojení se stále rostoucím tlakem z nedostatku dostupnosti lithných rezerv a odpovídající eskalace nákladů – poskytuje doplňkovou strategii k LIB. SIB získaly rostoucí výzkumnou pozornost v kombinaci se základními úspěchy ve vědě o materiálech ve snaze uspokojit rostoucí pronikání technologií obnovitelné energie. Složky článku a mechanismy elektrochemické reakce SIB jsou v zásadě identické jako u LIB, s výjimkou nosiče náboje, kterým je Na v jednom a Li v druhém. Hlavní důvod rychlé expanze v chemii materiálů SIB je připisován paralelám ve fyzikálně-chemických vlastnostech těchto dvou alkalických kovů.
Za prvé, provozní principy a konstrukce buněk SIB jsou podobné jako u komerčních LIB, i když Na slouží jako nosič náboje. V typickém SIB existují čtyři hlavní složky: katodový materiál (obvykle sloučenina obsahující Na); anodový materiál (nemusí nutně obsahovat Na); elektrolyt (v kapalném nebo pevném stavu); a oddělovač. Během procesu nabíjení jsou z katod extrahovány ionty sodíku, což jsou typicky vrstvené oxidy kovů a polyaniontové sloučeniny, a poté jsou vloženy do anod, zatímco proud prochází vnějším obvodem v opačném směru. Při vybíjení Na opouští anody a vrací se do katod v procesu označovaném jako „princip houpacího křesla“. Tyto podobnosti umožnily předběžné pochopení a rychlý růst technologie SIB.
Navíc větší iontový poloměr Na přináší své výhody: zvýšenou flexibilitu elektrochemické pozitivity a snížení desolvatační energie v polárních rozpouštědlech. Větší mezera v iontovém poloměru mezi Li a ionty přechodného kovu obvykle vede k selhání flexibility materiálového designu. Naproti tomu systém na bázi sodíku umožňuje flexibilnější pevné struktury než systém na bázi lithia a má obrovskou iontovou vodivost. Typickým příkladem je β-Al2O3, pro který má interkalace Na perfektní velikost a vysokou vodivost. V systému na bázi sodíku lze snadno realizovat více vrstvené oxidy přechodných kovů s různými způsoby vrstvení M+x+. Podobně široká škála krystalových struktur, které jsou známé pro rodinu sodíkových iontových vodičů (NaSICON), je mnohem komplikovanější než u analogů lithia. Ještě důležitější je, že mnohem vyšší iontová vodivost může být povolena ve sloučeninách NaSICON, která daleko převyšuje iontovou vodivost ve sloučeninách lithium-iontových vodičů (LiSICON).
V neposlední řadě systematické výzkumy s různými aprotickými polárními rozpouštědly ukázaly, že větší iontový poloměr Na způsobuje slabší desolvační energii. Menší Li má vyšší hustotu povrchového náboje kolem jádra než Na, když oba mají stejnou valenci. Li je proto termodynamicky stabilizováno sdílením více elektronů s molekulami polárního rozpouštědla. To znamená, že Li lze klasifikovat jako typ Lewisovy kyseliny. V důsledku toho je pro vysoce polarizované Li potřeba relativně vysoká desolvační energie, což vede k relativně velkému přenosovému odporu vyvolanému transportem Li z kapalného stavu (elektrolytu) do pevného stavu (elektrody). Protože desolvační energie úzce souvisí s kinetikou přenosu, ke které dochází na rozhraní kapalina/pevná látka, je relativně nízká desolvační energie významnou výhodou pro navrhování vysoce výkonných SIB.
