Oživitev natrijevih ionskih baterij pri sobni temperaturi
Zaradi obilnih zalog natrija (Na) v zemeljski skorji in podobnih fizikalno-kemijskih lastnosti natrija in litija elektrokemično shranjevanje energije na osnovi natrija obeta veliko shranjevanje energije in razvoj omrežja. Na primer, visokotemperaturne celice za raziskave delovanja baterij brez emisij, ki temeljijo na sistemih Na/NiCl2, in visokotemperaturne celice Na–S, ki so uspešni komercialni primeri stacionarnih in mobilnih aplikacij, so že pokazale potencial akumulatorskih baterij na osnovi natrija. Vendar pa njihova visoka delovna temperatura okoli 300 °C povzroča varnostne težave in zmanjšuje povratno učinkovitost natrijevih ionskih baterij (SIB). SIB pri sobni temperaturi (RT) zato na splošno veljajo za najbolj obetavno alternativno tehnologijo za LIB.
V zgodovini baterij v zadnjih 200 letih so raziskave SIB-jev vneto potekale vzporedno z razvojem LIB-jev. Elektrokemična aktivnost TiS2 za litij in njegova izvedljivost za shranjevanje energije je bila prvič predstavljena v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Po tem odkritju je bila v zgodnjih osemdesetih letih dvajsetega stoletja ugotovljena zmožnost vstavljanja ionov Na v TiS+2. Z odkritjem grafita kot poceni in zmerno zmogljivega anodnega materiala za LIB in neuspehom interkalacije natrijevih ionov se je v devetdesetih letih prejšnjega stoletja zgodil hiter razvoj LIB, ki je nadomestil rast kemije natrija. Nato je leta 2000 razpoložljivost natrijevega shranjevanja v trdem ogljiku (HC), ki bi zagotavljal podobno energetsko zmogljivost kot Li v grafitu, poživila raziskovalno zanimanje za SIB.
Primerjava natrijeve in litij-ionske baterije
Ponovna oživitev SIB-jev – skupaj z vedno večjim pritiskom zaradi pomanjkanja razpoložljivosti zalog litija in ustreznega naraščanja stroškov – zagotavlja dopolnilno strategijo za LIB-je. SIB-ji so pridobili vse večjo raziskovalno pozornost, skupaj s temeljnimi dosežki v znanosti o materialih, v prizadevanju za zadovoljitev vse večjega prodora tehnologij obnovljive energije. Celične komponente in mehanizmi elektrokemične reakcije SIB so v bistvu identični kot pri LIB, razen nosilca naboja, ki je Na v enem in Li v drugem. Glavni razlog za hitro širitev v kemiji materialov SIB je pripisan vzporednicam v fizikalno-kemijskih lastnostih med obema alkalijskima kovinama.
Prvič, načela delovanja in konstrukcija celic SIB so podobni tistim pri komercialnih LIB, čeprav Na služi kot nosilec naboja. V tipičnem SIB obstajajo štiri glavne komponente: katodni material (običajno spojina, ki vsebuje Na); anodni material (ki ne vsebuje nujno Na); elektrolit (v tekočem ali trdnem stanju); in ločilo. Med postopkom polnjenja se natrijevi ioni ekstrahirajo iz katod, ki so običajno slojeviti kovinski oksidi in polianionske spojine, in se nato vstavijo v anode, medtem ko tok potuje po zunanjem tokokrogu v nasprotni smeri. Pri praznjenju Na zapusti anode in se vrne v katode v procesu, imenovanem "načelo gugalnega stola". Te podobnosti so omogočile predhodno razumevanje in hitro rast tehnologije SIB.
Poleg tega večji ionski polmer Na prinaša svoje prednosti: povečano prožnost elektrokemične pozitivnosti in zmanjšano energijo desolvatacije v polarnih topilih. Večja vrzel v ionskem polmeru med Li in ioni prehodne kovine običajno vodi do neuspeha fleksibilnosti zasnove materiala. Nasprotno pa sistem na osnovi natrija omogoča bolj prožne trdne strukture kot sistem na osnovi litija in ima ogromno ionsko prevodnost. Tipičen primer je β-Al2O3, za katerega ima interkalacija Na popolno velikost in visoko prevodnost. Večplastne okside prehodnih kovin z različnimi načini zlaganja M+x+ je mogoče zlahka realizirati v sistemu na osnovi natrija. Podobno je široka paleta kristalnih struktur, ki so znane za družino natrijevega ionskega prevodnika (NaSICON), veliko bolj zapletena kot pri litijevih analogih. Še pomembneje je, da je v spojinah NaSICON mogoče dovoliti veliko večjo ionsko prevodnost, ki daleč presega ionsko prevodnost v spojinah z litijevim ionskim prevodnikom (LiSICON).
Nenazadnje so sistematične raziskave z različnimi aprotičnimi polarnimi topili pokazale, da večji ionski radij Na povzroči šibkejšo energijo desolvatacije. Manjši Li ima večjo površinsko gostoto naboja okoli jedra kot Na, če imata oba enako valenco. Li je torej termodinamično stabiliziran tako, da si deli več elektronov z molekulami polarnega topila. To pomeni, da lahko Li razvrstimo kot vrsto Lewisove kisline. Posledično je za visoko polariziran Li potrebna sorazmerno visoka energija desolvatacije, kar vodi do sorazmerno velikega prenosnega upora, ki ga povzroči prenos Li iz tekočega stanja (elektrolit) v trdno stanje (elektroda). Ker je energija desolvatacije tesno povezana s kinetiko prenosa, ki se pojavi na vmesniku tekočina/trdna snov, je relativno nizka energija desolvatacije pomembna prednost za načrtovanje visokozmogljivih SIB.