Återupplivandet av rumstempererade natriumjonbatterier
På grund av de rikliga natriumreserverna (Na) i jordskorpan och de liknande fysikalisk-kemiska egenskaperna hos natrium och litium, har natriumbaserad elektrokemisk energilagring ett betydande löfte för storskalig energilagring och nätutveckling. Till exempel har forskningsaktivitetsceller för högtemperatur nollemissionsbatterier baserade på Na/NiCl2-system och högtemperatur Na–S-celler, som är framgångsrika kommersiella fall av stationära och mobila applikationer, redan visat potentialen hos natriumbaserade uppladdningsbara batterier. Deras höga driftstemperatur på cirka 300 °C orsakar dock säkerhetsproblem och minskar effektiviteten för natriumjonbatterier (SIB) tur och retur. Rumstemperatur (RT) SIB:er anses därför allmänt vara den mest lovande alternativa tekniken till LIB:er.
Under batteriernas historia under de senaste 200 åren har forskning om SIB:er ivrigt utförts sida vid sida med LIB-utveckling. Den elektrokemiska aktiviteten hos TiS2 för litium och dess genomförbarhet för energilagring lades fram först på 1970-talet. Efter denna upptäckt realiserades förmågan hos Na-joner att infogas i TiS+2 i början av 1980-talet. Med upptäckten av grafit som ett anodmaterial med låg kostnad och måttlig kapacitet för LIB och misslyckandet med att interkalera natriumjoner, skedde en snabb LIB-utveckling på 1990-talet, vilket ersatte tillväxten i natriumkemi. Sedan, år 2000, föryngrade tillgängligheten för natriumlagring i hårt kol (HC), som skulle ge en energikapacitet liknande den för Li i grafit, forskningsintresset för SIB.
En jämförelse mellan natriumjonbatteri och litiumjonbatteri
Återupplivandet av SIBs – tillsammans med det ständigt ökande trycket från bristen på tillgänglighet av litiumreserver och motsvarande eskalering av kostnader – ger en kompletterande strategi till LIBs. SIB har fått ökad forskningsuppmärksamhet, i kombination med grundläggande framsteg inom materialvetenskap, i strävan att tillfredsställa den ökande penetrationen av förnybar energiteknik. Cellkomponenterna och de elektrokemiska reaktionsmekanismerna för SIB:er är i princip identiska med LIB:s, förutom laddningsbäraren, som är Na i den ena och Li i den andra. Den huvudsakliga orsaken till den snabba expansionen i SIB-materialkemi tillskrivs parallellerna i fysikalisk-kemiska egenskaper mellan de två alkalimetallerna.
För det första liknar driftsprinciperna och cellkonstruktionen för SIB:er de för kommersiella LIB:er, om än med Na som laddningsbärare. Fyra huvudkomponenter finns i en typisk SIB: ett katodmaterial (vanligtvis en Na-innehållande förening); ett anodmaterial (inte nödvändigtvis innehållande Na); en elektrolyt (i flytande eller fast tillstånd); och en separator. Under laddningsprocessen extraheras natriumjoner från katoderna, som vanligtvis är skiktade metalloxider och polyanjoniska föreningar, och förs sedan in i anoderna, medan strömmen går via en extern krets i motsatt riktning. Vid urladdning lämnar Na anoderna och återvänder till katoderna i en process som kallas "gungstolsprincipen". Dessa likheter har möjliggjort en preliminär förståelse av och snabb tillväxt inom SIB-teknik.
Dessutom ger den större jonradien av Na sina egna fördelar: ökad flexibilitet för elektrokemisk positivitet och minskad desolvatiseringsenergi i polära lösningsmedel. Det större gapet i jonradien mellan Li och övergångsmetalljonerna leder vanligtvis till bristande flexibilitet i materialdesign. Däremot möjliggör ett natriumbaserat system mer flexibla fasta strukturer än ett litiumbaserat system och har enorm jonledningsförmåga. Ett typiskt exempel är β-Al2O3, för vilken Na-interkalering har perfekt storlek och hög ledningsförmåga. Mer skiktade övergångsmetalloxider med olika M+x+ staplingssätt kan enkelt realiseras i ett natriumbaserat system. På liknande sätt är det stora utbudet av kristallstrukturer som är kända för familjen natriumjonledare (NaSICON) mycket mer komplicerad än för litiumanalogerna. Ännu viktigare är att en mycket högre jonledningsförmåga kan tillåtas i NaSICON-föreningar, som vida överstiger jonkonduktiviteten i litiumjoniska ledare (LiSICON)-föreningar.
Sist men inte minst har systematiska undersökningar med olika aprotiska polära lösningsmedel visat att den större jonradien av Na orsakar en svagare desolvationsenergi. Den mindre Li har en högre ytladdningstäthet runt kärnan än Na när båda har samma valens. Li stabiliseras därför termodynamiskt genom att dela fler elektroner med de polära lösningsmedelsmolekylerna. Det vill säga, Li kan klassificeras som en typ av Lewis-syra. Som ett resultat behövs en relativt hög desolvationsenergi för den högpolariserade Li, vilket leder till att ett relativt stort överföringsmotstånd induceras av transporten av Li från flytande tillstånd (elektrolyt) till fast tillstånd (elektrod). Eftersom upplösningsenergin är nära relaterad till överföringskinetiken som uppträder vid vätske/fastämnesgränsytan, är den relativt låga upplösningsenergin en betydande fördel för att designa SIB:er med hög effekt.
