Revigorarea bateriilor cu ioni de sodiu la temperatura camerei
Datorită rezervelor abundente de sodiu (Na) din scoarța terestră și proprietăților fizico-chimice similare ale sodiului și litiului, stocarea energiei electrochimice pe bază de sodiu este promițătoare pentru stocarea energiei pe scară largă și dezvoltarea rețelei. De exemplu, celulele de activitate de cercetare a bateriilor la temperatură înaltă cu emisii zero bazate pe sisteme Na/NiCl2 și celule Na-S la temperatură înaltă, care sunt cazuri comerciale de succes de aplicații staționare și mobile, au demonstrat deja potențialul bateriilor reîncărcabile pe bază de sodiu. Cu toate acestea, temperatura lor ridicată de funcționare de aproximativ 300 °C cauzează probleme de securitate și scade eficiența dus-întors a bateriilor cu ioni de sodiu (SIB). Prin urmare, SIB-urile la temperatura camerei (RT) sunt considerate pe scară largă ca fiind cea mai promițătoare tehnologie alternativă la LIB.
De-a lungul istoriei bateriilor din ultimii 200 de ani, cercetarea asupra SIB-urilor s-a desfășurat cu fervoare alături de dezvoltarea LIB. Activitatea electrochimică a TiS2 pentru litiu și fezabilitatea sa pentru stocarea energiei au fost prezentate pentru prima dată în anii 1970. În urma acestei descoperiri, capacitatea ionilor de Na de a fi inserați în TiS+2 a fost realizată la începutul anilor 1980. Odată cu descoperirea grafitului ca material anodic cu cost redus și de capacitate moderată pentru LIB și eșecul de a intercala ionii de sodiu, dezvoltarea rapidă a LIB a avut loc în anii 1990, înlocuind creșterea chimiei sodiului. Apoi, în 2000, disponibilitatea pentru stocarea sodiului în carbon dur (HC), care ar oferi o capacitate energetică similară cu cea a Li din grafit, a întinerit interesul de cercetare în SIB.
O comparație între bateria cu ioni de sodiu și bateria cu ioni de litiu
Revigorarea SIB-urilor – cuplată cu presiunea din ce în ce mai mare din cauza lipsei de disponibilitate a rezervelor de litiu și escaladarea corespunzătoare a costurilor – oferă o strategie complementară LIB-urilor. SIB-urile au câștigat o atenție din ce în ce mai mare în cercetare, combinată cu realizări fundamentale în știința materialelor, în eforturile de a satisface penetrarea tot mai mare a tehnologiilor de energie regenerabilă. Componentele celulei și mecanismele de reacție electrochimică ale SIB-urilor sunt practic identice cu cele ale LIB-urilor, cu excepția purtătorului de sarcină, care este Na într-unul și Li în celălalt. Motivul major pentru expansiunea rapidă a chimiei materialelor SIB este atribuit paralelelor proprietăților fizico-chimice dintre cele două metale alcaline.
În primul rând, principiile de funcționare și construcția celulelor SIB-urilor sunt similare cu cele ale LIB-urilor comerciale, deși Na servește drept purtător de sarcină. Într-un SIB tipic există patru componente principale: un material catod (de obicei un compus care conține Na); un material anodic (nu conține neapărat Na); un electrolit (în stare lichidă sau solidă); si un separator. În timpul procesului de încărcare, ionii de sodiu sunt extrași din catozi, care sunt în mod obișnuit oxizi metalici stratificati și compuși polianionici, și sunt apoi inserați în anozi, în timp ce curentul circulă printr-un circuit extern în direcția opusă. La descărcare, Na părăsește anozii și revine în catozi într-un proces denumit „principiul balansoarului”. Aceste asemănări au permis înțelegerea preliminară și creșterea rapidă a tehnologiei SIB.
Mai mult, raza ionică mai mare a Na aduce propriile sale avantaje: flexibilitate crescută a pozitivității electrochimice și scăderea energiei de desolvație în solvenții polari. Decalajul mai mare în raza ionică dintre Li și ionii de metal de tranziție duce de obicei la eșecul flexibilității proiectării materialului. În schimb, un sistem pe bază de sodiu permite structuri solide mai flexibile decât un sistem pe bază de litiu și posedă o conductivitate ionică enormă. Un exemplu tipic este β-Al2O3, pentru care intercalarea Na are dimensiunea perfectă și o conductivitate ridicată. Oxizi de metal de tranziție mai stratificati cu diferite moduri de stivuire M+x+ pot fi realizați cu ușurință într-un sistem pe bază de sodiu. În mod similar, marea varietate de structuri cristaline care sunt cunoscute pentru familia conductorului ionic de sodiu (NaSICON) este mult mai complicată decât cea a analogilor de litiu. Mai important, o conductivitate ionică mult mai mare poate fi permisă în compușii NaSICON, care depășește cu mult conductibilitatea ionică în compușii conductori ionici de litiu (LiSICON).
Nu în ultimul rând, investigațiile sistematice cu diferiți solvenți polari aprotici au demonstrat că raza ionică mai mare a Na determină o energie de desolvație mai slabă. Li mai mic are o densitate de sarcină la suprafață mai mare în jurul miezului decât Na atunci când ambele posedă aceeași valență. Prin urmare, Li este stabilizat termodinamic prin împărțirea mai multor electroni cu moleculele de solvent polar. Adică, Li poate fi clasificat ca un tip de acid Lewis. Ca rezultat, este necesară o energie de desolvatare relativ mare pentru Li-ul foarte polarizat, ceea ce duce la o rezistență de transfer relativ mare indusă de transportul Li din starea lichidă (electrolit) în starea solidă (electrod). Deoarece energia desolvației este strâns legată de cinetica de transfer care are loc la interfața lichid/solid, energia de desolvație relativ scăzută este un avantaj semnificativ pentru proiectarea SIB-urilor de mare putere.
