Otaq temperaturunda natrium-ion batareyalarının canlandırılması
Yer qabığındakı bol natrium (Na) ehtiyatlarına və natrium və litiumun oxşar fiziki-kimyəvi xüsusiyyətlərinə görə, natrium əsaslı elektrokimyəvi enerji anbarı genişmiqyaslı enerji saxlama və şəbəkənin inkişafı üçün əhəmiyyətli vədlər verir. Məsələn, stasionar və mobil tətbiqlərin uğurlu kommersiya nümunələri olan Na/NiCl2 sistemlərinə əsaslanan yüksək temperaturlu sıfır emissiyalı batareya tədqiqat fəaliyyəti hüceyrələri və yüksək temperaturlu Na–S hüceyrələri natrium əsaslı təkrar doldurulan batareyaların potensialını artıq nümayiş etdiriblər. Bununla belə, onların təxminən 300 °C yüksək işləmə temperaturu təhlükəsizlik problemlərinə səbəb olur və natrium-ion batareyalarının (SIB) gediş-gəliş səmərəliliyini azaldır. Otaq temperaturu (RT) SİB-lər buna görə də geniş şəkildə LIB-lərə ən perspektivli alternativ texnologiya kimi qəbul edilir.
Son 200 ildə akkumulyatorların tarixi ərzində SIB-lər üzrə tədqiqatlar LIB-nin inkişafı ilə birlikdə qızğın şəkildə aparılmışdır. TiS2-nin litium üçün elektrokimyəvi fəaliyyəti və enerjinin saxlanması üçün mümkünlüyü ilk dəfə 1970-ci illərdə irəli sürülüb. Bu kəşfdən sonra Na ionlarının TiS+2-yə daxil olmaq qabiliyyəti 1980-ci illərin əvvəllərində reallaşdı. LIB-lər üçün aşağı qiymətli və orta tutumlu anod materialı kimi qrafitin kəşfi və natrium ionlarının interkalasiya edilməməsi ilə 1990-cı illərdə LIB-nin sürətli inkişafı natrium kimyasındakı artımı əvəz etdi. Daha sonra, 2000-ci ildə, qrafitdə Li-nin enerji tutumuna bənzər bir enerji tutumunu təmin edən sərt karbonda (HC) natrium saxlama imkanı, SIB-lərdə tədqiqat maraqlarını cavanlaşdırdı.
Natrium-ion batareya və litium-ion batareyanın müqayisəsi
SİB-lərin dirçəldilməsi – litium ehtiyatlarının olmaması və müvafiq olaraq qiymət artımının getdikcə artan təzyiqi ilə birlikdə – LİB-lərə əlavə strategiya təqdim edir. SIB-lər bərpa olunan enerji texnologiyalarının artan nüfuzunu təmin etmək üçün material elmindəki fundamental nailiyyətlərlə birlikdə artan tədqiqat diqqətini qazandılar. Hüceyrə komponentləri və SIB-lərin elektrokimyəvi reaksiya mexanizmləri, birində Na, digərində Li olan yük daşıyıcısı istisna olmaqla, əsasən LIB-lərinkləri ilə eynidir. SIB materiallarının kimyasındakı sürətli genişlənmənin əsas səbəbi iki qələvi metal arasındakı fiziki-kimyəvi xassələrdəki paralellərlə əlaqələndirilir.
Birincisi, SIB-lərin iş prinsipləri və hüceyrə quruluşu kommersiya LİB-lərininkinə bənzəyir, baxmayaraq ki, Na yük daşıyıcısı kimi xidmət edir. Tipik SIB-də dörd əsas komponent mövcuddur: katod materialı (adətən Na-tərkibində olan birləşmə); anod materialı (mütləq Na ehtiva etmir); elektrolit (maye və ya bərk halda); və ayırıcı. Yükləmə prosesi zamanı natrium ionları adətən qatlanmış metal oksidləri və polianion birləşmələri olan katodlardan çıxarılır və sonra anodlara daxil edilir, cərəyan isə əks istiqamətdə xarici dövrə vasitəsilə hərəkət edir. Boşaltma zamanı Na anodları tərk edir və "sallanan kreslo prinsipi" adlanan bir proseslə katodlara qayıdır. Bu oxşarlıqlar SIB texnologiyasının ilkin başa düşülməsinə və sürətli böyüməsinə imkan verdi.
Bundan əlavə, Na-nın daha böyük ion radiusu özünəməxsus üstünlüklər gətirir: elektrokimyəvi pozitivliyin artan çevikliyi və qütb həlledicilərdə de-solvasiya enerjisinin azalması. Li və keçid metal ionları arasında ion radiusunda daha böyük boşluq adətən material dizaynının çevikliyinin uğursuzluğuna səbəb olur. Bunun əksinə olaraq, natrium əsaslı sistem litium əsaslı sistemdən daha çevik bərk strukturlara imkan verir və böyük ion keçiriciliyinə malikdir. Tipik bir nümunə β-Al2O3-dir, bunun üçün Na interkalasiyası mükəmməl ölçüyə və yüksək keçiriciliyə malikdir. Müxtəlif M+x+ yığma üsulları ilə daha çox qatlı keçid metal oksidləri natrium əsaslı sistemdə asanlıqla həyata keçirilə bilər. Eynilə, natrium ion keçiricisi (NaSICON) ailəsi ilə tanınan kristal strukturların geniş çeşidi litium analoqlarından daha mürəkkəbdir. Daha da əhəmiyyətlisi, NaSICON birləşmələrində daha yüksək ion keçiriciliyinə icazə verilə bilər ki, bu da litium-ion keçirici (LiSICON) birləşmələrindəki ion keçiriciliyini xeyli üstələyir.
Nəhayət, müxtəlif aprotik qütb həllediciləri ilə sistematik tədqiqatlar göstərdi ki, Na-nın daha böyük ion radiusu daha zəif desolvasiya enerjisinə səbəb olur. Kiçik Li, hər ikisi eyni valentliyə malik olduqda, nüvənin ətrafında Na-dan daha yüksək səth yükü sıxlığına malikdir. Buna görə də, Li qütb həlledici molekulları ilə daha çox elektron paylaşaraq termodinamik olaraq sabitləşir. Yəni, Li bir növ Lyuis turşusu kimi təsnif edilə bilər. Nəticədə, yüksək qütbləşmiş Li üçün nisbətən yüksək dezolvasiya enerjisi tələb olunur ki, bu da Li-nin maye vəziyyətdən (elektrolit) bərk vəziyyətə (elektroda) nəqli nəticəsində nisbətən böyük ötürmə müqavimətinə səbəb olur. Desolvasiya enerjisi maye/bərk interfeysində baş verən ötürmə kinetikası ilə sıx əlaqəli olduğundan, nisbətən aşağı dezolvasiya enerjisi yüksək güclü SİB-lərin layihələndirilməsi üçün əhəmiyyətli üstünlükdür.