Бөлме температурасындағы натрий-иондық батареяларды жаңғырту
Жер қыртысындағы натрийдің (Na) мол қорының және натрий мен литийдің ұқсас физикалық-химиялық қасиеттерінің арқасында натрий негізіндегі электрохимиялық энергияны сақтау кең ауқымды энергия сақтау және желіні дамыту үшін маңызды перспективаға ие. Мысалы, стационарлық және мобильді қосымшалардың табысты коммерциялық жағдайлары болып табылатын Na/NiCl2 жүйелеріне негізделген жоғары температуралық нөлдік эмиссиялық батареяларды зерттеу әрекеті жасушалары және жоғары температуралы Na–S жасушалары натрий негізіндегі қайта зарядталатын батареялардың әлеуетін көрсетті. Дегенмен, олардың шамамен 300 °C жұмыс температурасы қауіпсіздік мәселелерін тудырады және натрий-иондық батареялардың (SIBs) айналу тиімділігін төмендетеді. Сондықтан бөлме температурасы (RT) SIBs LIBs үшін ең перспективалы балама технология ретінде кеңінен қарастырылады.
Соңғы 200 жылдағы аккумуляторлар тарихында SIB бойынша зерттеулер LIB дамуымен қатар қызу жүргізілді. TiS2-нің литийге арналған электрохимиялық белсенділігі және оның энергияны сақтауға жарамдылығы алғаш рет 1970 жылдары алға тартылды. Осы ашылудан кейін Na иондарының TiS+2-ге ену мүмкіндігі 1980 жылдардың басында жүзеге асты. Графиттің LIB үшін арзан және орташа қуатты анодтық материал ретінде ашылуымен және натрий иондарын интеркалациялаудың сәтсіздігімен 1990 жылдары LIB жылдам дамуы натрий химиясының өсуін басып озды. Содан кейін, 2000 жылы графиттегі Li-ге ұқсас энергия сыйымдылығын беретін қатты көміртегі (HC) натрийді сақтаудың қолжетімділігі SIB-ге деген ғылыми қызығушылықты арттырды.
Натрий-иондық аккумулятор мен литий-иондық батареяны салыстыру
Литий қорларының жоқтығынан және сәйкесінше құнның өсуінен болатын үнемі өсіп келе жатқан қысыммен бірге СИБ-ның қайта жандануы LIB-ге қосымша стратегияны қамтамасыз етеді. SIBs материалтанудағы іргелі жетістіктермен бірге жаңартылатын энергия технологияларының өсіп келе жатқан енуін қанағаттандыру мақсатында зерттеуге көбірек көңіл бөлді. Бірінде Na, екіншісінде Li болатын заряд тасымалдаушыны қоспағанда, жасуша құрамдас бөліктері мен СИБ электрохимиялық реакция механизмдері негізінен LIB-мен бірдей. SIB материалдарының химиясының жылдам кеңеюінің негізгі себебі екі сілтілі металдар арасындағы физика-химиялық қасиеттердегі параллельдермен байланысты.
Біріншіден, SIB жұмыс принциптері мен жасуша құрылысы коммерциялық LIB-ге ұқсас, бірақ заряд тасымалдаушы ретінде Na қызмет етеді. Әдеттегі SIB-де төрт негізгі компонент бар: катодты материал (әдетте Na-құрамында бар қосылыс); анодтық материал (міндетті түрде Na бар емес); электролит (сұйық немесе қатты күйде); және бөлгіш. Зарядтау процесі кезінде натрий иондары әдетте қабатталған металл оксидтері мен полианионды қосылыстар болып табылатын катодтардан алынады, содан кейін анодтарға енгізіледі, ал ток сыртқы контур арқылы қарама-қарсы бағытта қозғалады. Зарядтау кезінде Na анодтарды тастап, катодтарға қайтады, бұл процесс «тербелетін орындық принципі» деп аталады. Бұл ұқсастықтар SIB технологиясын алдын ала түсінуге және жылдам өсуіне мүмкіндік берді.
Сонымен қатар, Na-ның үлкенірек иондық радиусы өзіндік артықшылықтар әкеледі: электрохимиялық оң икемділіктің жоғарылауы және полярлық еріткіштердегі дезолвация энергиясының төмендеуі. Li және өтпелі металл иондары арасындағы иондық радиуста үлкен алшақтық әдетте материал дизайнының икемділігінің бұзылуына әкеледі. Керісінше, натрий негізіндегі жүйе литий негізіндегі жүйеге қарағанда икемді қатты құрылымдарға мүмкіндік береді және үлкен иондық өткізгіштікке ие. Әдеттегі мысал β-Al2O3 болып табылады, ол үшін Na интеркалациясы тамаша өлшемге және жоғары өткізгіштікке ие. Натрий негізіндегі жүйеде әртүрлі M+x+ қабаттастыру әдістері бар көп қабатты өтпелі металл оксидтерін оңай жүзеге асыруға болады. Сол сияқты, натрий иондық өткізгіштері (NaSICON) отбасы үшін белгілі кристалдық құрылымдардың алуан түрлілігі литий аналогтарына қарағанда әлдеқайда күрделі. Ең бастысы, литий-иондық өткізгіш (LiSICON) қосылыстарындағы иондық өткізгіштіктен әлдеқайда асып түсетін NaSICON қосылыстарында әлдеқайда жоғары иондық өткізгіштікке жол беруге болады.
Ақырында, әртүрлі апротикалық полярлы еріткіштермен жүйелі зерттеулер Na-ның үлкен иондық радиусы әлсіз дезолвация энергиясын тудыратынын көрсетті. Екеуі де бірдей валенттілікке ие болғанда, кіші Li-тің ядроның айналасындағы беттік заряд тығыздығы Na-ға қарағанда жоғары болады. Сондықтан Li полярлы еріткіш молекулаларымен көбірек электрондарды бөлісу арқылы термодинамикалық тұрақтандырады. Яғни, Лиді Льюис қышқылының бір түрі ретінде жіктеуге болады. Нәтижесінде жоғары поляризацияланған Li үшін салыстырмалы түрде жоғары дезолвация энергиясы қажет, бұл Li-ның сұйық күйден (электролиттен) қатты күйге (электрод) тасымалдануы арқылы салыстырмалы түрде үлкен тасымалдау кедергісіне әкеледі. Дезолвация энергиясы сұйық/қатты зат интерфейсінде орын алатын тасымалдау кинетикасымен тығыз байланысты болғандықтан, салыстырмалы түрде төмен дезолвация энергиясы жоғары қуатты SIB жобалау үшін маңызды артықшылық болып табылады.