Oživenie sodíkovo-iónových batérií pri izbovej teplote
Vďaka bohatým zásobám sodíka (Na) v zemskej kôre a podobným fyzikálno-chemickým vlastnostiam sodíka a lítia je elektrochemické ukladanie energie na báze sodíka významným prísľubom pre skladovanie energie vo veľkom meradle a rozvoj siete. Napríklad vysokoteplotné batériové výskumné články s nulovými emisiami založené na systémoch Na/NiCl2 a vysokoteplotné Na–S články, ktoré sú úspešnými komerčnými prípadmi stacionárnych a mobilných aplikácií, už preukázali potenciál dobíjacích batérií na báze sodíka. Ich vysoká prevádzková teplota okolo 300 °C však spôsobuje bezpečnostné problémy a znižuje spiatočnú účinnosť sodíkovo-iónových batérií (SIB). SIB pri izbovej teplote (RT) sú preto všeobecne považované za najsľubnejšiu alternatívnu technológiu k LIB.
Počas histórie batérií za posledných 200 rokov sa výskum SIB horlivo uskutočňoval súbežne s vývojom LIB. Elektrochemická aktivita TiS2 pre lítium a jeho uskutočniteľnosť na skladovanie energie bola prvýkrát predstavená v 70. rokoch 20. storočia. Po tomto objave bola začiatkom 80-tych rokov realizovaná schopnosť vkladať ióny Na do TiS+2. S objavom grafitu ako lacného anódového materiálu so strednou kapacitou pre LIB a neschopnosťou interkalovať sodíkové ióny došlo v 90. rokoch k rýchlemu rozvoju LIB, ktorý nahradil rast v chémii sodíka. Potom v roku 2000 dostupnosť skladovania sodíka v tvrdom uhlíku (HC), ktorý by priniesol energetickú kapacitu podobnú kapacite Li v grafite, omladila výskumný záujem o SIB.
Porovnanie sodíkovo-iónovej batérie a lítium-iónovej batérie
Oživenie SIB - spolu s neustále sa zvyšujúcim tlakom z nedostatku dostupnosti zásob lítia a zodpovedajúcou eskaláciou nákladov - poskytuje doplnkovú stratégiu k LIB. SIB získali rastúcu výskumnú pozornosť v kombinácii so základnými úspechmi v materiálovej vede v snahe uspokojiť rastúci prienik technológií obnoviteľnej energie. Zložky článku a elektrochemické reakčné mechanizmy SIB sú v podstate identické s mechanizmami LIB, s výnimkou nosiča náboja, ktorým je Na v jednom a Li v druhom. Hlavný dôvod rýchleho rozšírenia v chémii materiálov SIB sa pripisuje paralelám vo fyzikálno-chemických vlastnostiach medzi týmito dvoma alkalickými kovmi.
Po prvé, prevádzkové princípy a bunková konštrukcia SIB sú podobné ako pri komerčných LIB, aj keď Na slúži ako nosič náboja. V typickom SIB existujú štyri hlavné zložky: katódový materiál (zvyčajne zlúčenina obsahujúca Na); anódový materiál (nemusí obsahovať Na); elektrolyt (v kvapalnom alebo pevnom stave); a oddeľovač. Počas nabíjacieho procesu sú sodné ióny extrahované z katód, čo sú typicky vrstvené oxidy kovov a polyaniónové zlúčeniny, a potom sú vložené do anód, zatiaľ čo prúd prechádza cez vonkajší obvod v opačnom smere. Pri vybíjaní Na opúšťa anódy a vracia sa do katód v procese označovanom ako „princíp hojdacieho kresla“. Tieto podobnosti umožnili predbežné pochopenie a rýchly rast technológie SIB.
Navyše väčší iónový polomer Na prináša svoje výhody: zvýšenú flexibilitu elektrochemickej pozitivity a zníženú desolvatačnú energiu v polárnych rozpúšťadlách. Väčšia medzera v iónovom polomere medzi Li a iónmi prechodných kovov zvyčajne vedie k zlyhaniu flexibility konštrukcie materiálu. Na rozdiel od toho systém na báze sodíka umožňuje flexibilnejšie pevné štruktúry ako systém na báze lítia a má obrovskú iónovú vodivosť. Typickým príkladom je β-Al2O3, pre ktorý má interkalácia Na perfektnú veľkosť a vysokú vodivosť. Viacvrstvové oxidy prechodných kovov s rôznymi spôsobmi ukladania M+x+ možno ľahko realizovať v systéme na báze sodíka. Podobne široká škála kryštálových štruktúr, ktoré sú známe pre rodinu sodíkových iónových vodičov (NaSICON), je oveľa komplikovanejšia ako štruktúra analógov lítia. Ešte dôležitejšie je, že v zlúčeninách NaSICON môže byť povolená oveľa vyššia iónová vodivosť, ktorá ďaleko prevyšuje iónovú vodivosť v zlúčeninách lítium-iónových vodičov (LiSICON).
V neposlednom rade systematické výskumy s rôznymi aprotickými polárnymi rozpúšťadlami ukázali, že väčší iónový polomer Na spôsobuje slabšiu desolvačnú energiu. Menšie Li má vyššiu hustotu povrchového náboja okolo jadra ako Na, keď obe majú rovnakú valenciu. Li je preto termodynamicky stabilizovaný zdieľaním väčšieho množstva elektrónov s molekulami polárneho rozpúšťadla. To znamená, že Li možno klasifikovať ako typ Lewisovej kyseliny. V dôsledku toho je pre vysoko polarizované Li potrebná relatívne vysoká desolvačná energia, čo vedie k relatívne veľkému prenosovému odporu vyvolanému transportom Li z kvapalného stavu (elektrolytu) do pevného stavu (elektróda). Pretože desolvatačná energia úzko súvisí s kinetikou prenosu, ktorá sa vyskytuje na rozhraní kvapalina/pevná látka, relatívne nízka desolvačná energia je významnou výhodou pri navrhovaní vysokovýkonných SIB.