باتری های یون سدیم: فرصت ها و چالش ها

احیای باتری‌های یون سدیم در دمای اتاق

     با توجه به ذخایر فراوان سدیم (Na) در پوسته زمین و خواص فیزیکوشیمیایی مشابه سدیم و لیتیوم، ذخیره انرژی الکتروشیمیایی مبتنی بر سدیم نوید قابل توجهی برای ذخیره سازی انرژی در مقیاس بزرگ و توسعه شبکه دارد. به عنوان مثال، سلول‌های فعالیت تحقیقاتی باتری با انتشار صفر درجه حرارت بالا مبتنی بر سیستم‌های Na/NiCl2 و سلول‌های Na-S با دمای بالا، که موارد تجاری موفق برنامه‌های ثابت و موبایل هستند، قبلاً پتانسیل باتری‌های قابل شارژ مبتنی بر سدیم را نشان داده‌اند. با این حال، دمای بالای کارکرد آنها در حدود 300 درجه سانتیگراد باعث مشکلات امنیتی می شود و راندمان رفت و برگشت باتری های یون سدیم (SIB) را کاهش می دهد. بنابراین SIB های دمای اتاق (RT) به طور گسترده به عنوان امیدوارکننده ترین فناوری جایگزین برای LIB ها در نظر گرفته می شوند.

      در طول تاریخ باتری ها در 200 سال گذشته، تحقیقات در مورد SIB ها به طور جدی در کنار توسعه LIB انجام شده است. فعالیت الکتروشیمیایی TiS2 برای لیتیوم و امکان پذیری آن برای ذخیره انرژی برای اولین بار در دهه 1970 مطرح شد. به دنبال این کشف، قابلیت یون Na برای وارد کردن به TiS+2 در اوایل دهه 1980 محقق شد. با کشف گرافیت به عنوان یک ماده آند کم هزینه و با ظرفیت متوسط ​​برای LIBها و شکست در درهم‌آمیزی یون‌های سدیم، توسعه سریع LIB در دهه 1990 اتفاق افتاد و جایگزین رشد در شیمی سدیم شد. سپس، در سال 2000، در دسترس بودن برای ذخیره سدیم در کربن سخت (HC)، که ظرفیت انرژی مشابه لیتیوم در گرافیت را ارائه می‌کرد، علاقه تحقیقاتی را در SIB ها جوان کرد.

مقایسه باتری سدیم یون و باتری لیتیوم یون

     احیای SIB ها - همراه با فشار روزافزون ناشی از کمبود در دسترس بودن ذخایر لیتیوم و افزایش هزینه مربوطه - یک استراتژی مکمل برای LIB ها ارائه می دهد. SIBها توجه تحقیقاتی فزاینده ای را به همراه دستاوردهای بنیادی در علم مواد در تلاش برای ارضای نفوذ فزاینده فناوری های انرژی تجدیدپذیر به خود جلب کرده اند. اجزای سلول و مکانیسم‌های واکنش الکتروشیمیایی SIBها اساساً با LIBها یکسان هستند، به جز حامل بار که در یکی Na و در دیگری Li است. دلیل اصلی انبساط سریع در شیمی مواد SIB به موازات خواص فیزیکوشیمیایی بین دو فلز قلیایی نسبت داده می شود.

      اولاً، اصول عملکرد و ساخت سلولی SIBها شبیه به LIBهای تجاری است، البته با Na به عنوان حامل بار. چهار جزء اصلی در یک SIB معمولی وجود دارد: یک ماده کاتدی (معمولاً یک ترکیب حاوی Na). یک ماده آند (الزاماً حاوی سدیم نیست). یک الکترولیت (در حالت مایع یا جامد)؛ و یک جداکننده در طول فرآیند شارژ، یون‌های سدیم از کاتدها استخراج می‌شوند که معمولاً اکسیدهای فلزی لایه‌ای و ترکیبات پلی آنیونی هستند و سپس وارد آندها می‌شوند، در حالی که جریان از طریق یک مدار خارجی در جهت مخالف حرکت می‌کند. هنگام تخلیه، Na از آندها خارج می شود و در فرآیندی که به آن "اصل صندلی گهواره ای" گفته می شود، به کاتدها باز می گردد. این شباهت ها درک اولیه و رشد سریع فناوری SIB را ممکن ساخته است.

      علاوه بر این، شعاع یونی بزرگ‌تر Na مزایای خاص خود را دارد: افزایش انعطاف‌پذیری مثبت الکتروشیمیایی و کاهش انرژی حل‌زدایی در حلال‌های قطبی. شکاف بیشتر در شعاع یونی بین لیتیوم و یون‌های فلز واسطه معمولاً منجر به شکست انعطاف‌پذیری طراحی مواد می‌شود. در مقابل، یک سیستم مبتنی بر سدیم ساختارهای جامد انعطاف‌پذیرتری را نسبت به سیستم‌های مبتنی بر لیتیوم امکان‌پذیر می‌کند و دارای رسانایی یونی عظیمی است. یک مثال معمولی β-Al2O3 است که برای آن مخلوط سدیم اندازه عالی و رسانایی بالایی دارد. اکسیدهای فلزات واسطه لایه‌ای بیشتر با روش‌های مختلف انباشتگی M+x+ را می‌توان به راحتی در یک سیستم مبتنی بر سدیم درک کرد. به طور مشابه، طیف گسترده ای از ساختارهای کریستالی که برای خانواده هادی یونی سدیم (NaSICON) شناخته می شوند، بسیار پیچیده تر از آنالوگ های لیتیوم هستند. مهمتر از آن، رسانایی یونی بسیار بالاتری را می توان در ترکیبات NaSICON مجاز دانست، که بسیار بیشتر از رسانایی یونی در ترکیبات رسانای یونی لیتیوم (LiSICON) است.

      آخرین اما نه کم‌اهمیت، تحقیقات سیستماتیک با حلال‌های قطبی آپروتیک مختلف نشان داده‌اند که شعاع یونی بزرگ‌تر سدیم باعث انرژی تخلیه ضعیف‌تر می‌شود. لی کوچکتر دارای چگالی بار سطحی بالاتری در اطراف هسته نسبت به Na است که هر دو دارای ظرفیت یکسانی باشند. بنابراین لی از نظر ترمودینامیکی با به اشتراک گذاشتن الکترون های بیشتر با مولکول های حلال قطبی تثبیت می شود. یعنی لی را می توان به عنوان یک نوع اسید لوئیس طبقه بندی کرد. در نتیجه، انرژی تخلیه نسبتاً بالایی برای Li بسیار قطبی شده مورد نیاز است که منجر به مقاومت انتقال نسبتاً بزرگی می شود که با انتقال لی از حالت مایع (الکترولیت) به حالت جامد (الکترود) القا می شود. از آنجایی که انرژی جداسازی با سینتیک انتقال که در فصل مشترک مایع/جامد اتفاق می‌افتد مرتبط است، انرژی نسبتاً کم تجزیه یک مزیت قابل توجه برای طراحی SIB‌های پرقدرت است.