Odrodzenie akumulatorów sodowo-jonowych pracujących w temperaturze pokojowej
Ze względu na obfite zasoby sodu (Na) w skorupie ziemskiej oraz podobne właściwości fizykochemiczne sodu i litu, elektrochemiczne magazynowanie energii na bazie sodu jest obiecujące w zakresie magazynowania energii na dużą skalę i rozwoju sieci. Na przykład ogniwa badawcze dotyczące wysokotemperaturowych akumulatorów o zerowej emisji oparte na układach Na/NiCl2 i wysokotemperaturowych ogniwach Na–S, które stanowią udane komercyjne przypadki zastosowań stacjonarnych i mobilnych, wykazały już potencjał akumulatorów na bazie sodu. Jednak ich wysoka temperatura robocza, wynosząca około 300 °C, powoduje problemy związane z bezpieczeństwem i zmniejsza wydajność akumulatorów sodowo-jonowych (SIB) w obie strony. Dlatego też SIB działające w temperaturze pokojowej (RT) są powszechnie uważane za najbardziej obiecującą technologię alternatywną dla LIB.
W ciągu ostatnich 200 lat, w historii baterii, badania nad SIB były prowadzone równolegle z rozwojem LIB. Aktywność elektrochemiczną TiS2 w stosunku do litu i jego przydatność do magazynowania energii po raz pierwszy przedstawiono w latach siedemdziesiątych XX wieku. Po tym odkryciu na początku lat 80. XX wieku odkryto możliwość wprowadzania jonów Na do TiS+2. Wraz z odkryciem grafitu jako taniego materiału anodowego o średniej pojemności do LIB i niepowodzeniem w interkalacji jonów sodu, w latach 90. XX wieku nastąpił szybki rozwój LIB, wypierając rozwój chemii sodu. Następnie, w 2000 r., dostępność przechowywania sodu w węglu twardym (HC), który zapewniałby pojemność energetyczną podobną do pojemności energetycznej Li w graficie, ożywiło zainteresowanie badawcze SIB.
Porównanie baterii sodowo-jonowej i litowo-jonowej
Ożywienie SIB – w połączeniu ze stale rosnącą presją wynikającą z braku dostępności rezerw litu i związanego z tym wzrostu kosztów – zapewnia komplementarną strategię dla LIB. SIB cieszą się coraz większym zainteresowaniem badaczy, w połączeniu z podstawowymi osiągnięciami w dziedzinie materiałoznawstwa, w dążeniu do zaspokojenia rosnącej penetracji technologii energii odnawialnej. Składniki ogniwa i mechanizmy reakcji elektrochemicznych SIB są w zasadzie identyczne jak LIB, z wyjątkiem nośnika ładunku, którym jest Na w jednym i Li w drugim. Główną przyczynę szybkiego rozwoju chemii materiałów SIB przypisuje się podobieństwom właściwości fizykochemicznych obu metali alkalicznych.
Po pierwsze, zasady działania i konstrukcja ogniw SIB są podobne do komercyjnych LIB, aczkolwiek Na służy jako nośnik ładunku. W typowym SIB występują cztery główne składniki: materiał katody (zwykle związek zawierający Na); materiał anodowy (niekoniecznie zawierający Na); elektrolit (w stanie ciekłym lub stałym); i separator. Podczas procesu ładowania jony sodu są ekstrahowane z katod (zwykle są to warstwowe tlenki metali i związki polianionowe), a następnie wprowadzane do anod, podczas gdy prąd przepływa przez obwód zewnętrzny w przeciwnym kierunku. Podczas rozładowywania Na opuszcza anody i powraca do katod w procesie określanym jako „zasada fotela bujanego”. Podobieństwa te umożliwiły wstępne zrozumienie i szybki rozwój technologii SIB.
Co więcej, większy promień jonowy Na ma swoje zalety: zwiększoną elastyczność dodatniości elektrochemicznej i zmniejszoną energię desolwatacji w rozpuszczalnikach polarnych. Większa przerwa w promieniu jonowym pomiędzy Li i jonami metali przejściowych zwykle prowadzi do niepowodzenia elastyczności konstrukcji materiału. Natomiast system na bazie sodu umożliwia tworzenie bardziej elastycznych struktur stałych niż system na bazie litu i charakteryzuje się ogromną przewodnością jonową. Typowym przykładem jest β-Al2O3, dla którego interkalacja Na ma idealny rozmiar i wysoką przewodność. W układzie na bazie sodu można łatwo zrealizować bardziej warstwowe tlenki metali przejściowych o różnych sposobach układania M+x+. Podobnie szeroka gama struktur krystalicznych znanych z rodziny przewodników jonowych sodu (NaSICON) jest znacznie bardziej skomplikowana niż w przypadku analogów litu. Co ważniejsze, w związkach NaSICON można dopuścić znacznie wyższą przewodność jonową, która znacznie przekracza przewodność jonową w związkach przewodzących litowo-jonowy (LiSICON).
Wreszcie, systematyczne badania z różnymi aprotonowymi rozpuszczalnikami polarnymi wykazały, że większy promień jonowy Na powoduje słabszą energię desolwatacji. Mniejszy Li ma większą gęstość ładunku powierzchniowego wokół rdzenia niż Na, gdy oba mają tę samą wartościowość. Li jest zatem stabilizowany termodynamicznie poprzez współdzielenie większej liczby elektronów z cząsteczkami polarnego rozpuszczalnika. Oznacza to, że Li można sklasyfikować jako rodzaj kwasu Lewisa. W rezultacie dla silnie spolaryzowanego Li potrzebna jest stosunkowo wysoka energia desolwatacji, co prowadzi do stosunkowo dużego oporu przenoszenia indukowanego przez transport Li ze stanu ciekłego (elektrolit) do stanu stałego (elektroda). Ponieważ energia desolwatacji jest ściśle związana z kinetyką przenoszenia zachodzącą na granicy faz ciecz/ciało stałe, stosunkowo niska energia desolwatacji jest znaczącą zaletą przy projektowaniu SIB o dużej mocy.