Huoneenlämpöisten natrium-ioni-akkujen elvyttäminen
Maankuoren runsaiden natrium (Na) -varantojen ja natriumin ja litiumin samanlaisten fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien vuoksi natriumpohjainen sähkökemiallinen energian varastointi on merkittävä lupaus laajamittaiseen energian varastointiin ja verkon kehittämiseen. Esimerkiksi korkean lämpötilan nollapäästöisten akkujen tutkimustoimintakennot, jotka perustuvat Na/NiCl2-järjestelmiin ja korkean lämpötilan Na-S-kennoihin, jotka ovat menestyneitä kaupallisia tapauksia kiinteissä ja mobiilisovelluksissa, ovat jo osoittaneet natriumpohjaisten ladattavien akkujen potentiaalin. Niiden korkea, noin 300 °C:n käyttölämpötila aiheuttaa kuitenkin turvallisuusongelmia ja heikentää natrium-ioni-akkujen (SIB) edestakaisen matkan tehokkuutta. Huonelämpötilan (RT) SIB:itä pidetään siksi laajalti lupaavimpana vaihtoehtoisena teknologiana LIB:ille.
Akkujen historian aikana viimeisen 200 vuoden aikana SIB-tutkimusta tehtiin kiihkeästi rinnakkain LIB-kehityksen kanssa. TiS2:n sähkökemiallinen aktiivisuus litiumin suhteen ja sen soveltuvuus energian varastointiin esitettiin ensimmäisen kerran 1970-luvulla. Tämän löydön jälkeen Na-ionien kyky liittää TiS+2:een toteutui 1980-luvun alussa. Kun grafiitti löydettiin edulliseksi ja kohtuullisen kapasiteetin anodimateriaaliksi LIB:ille ja natriumionien interkalaatio epäonnistui, LIB kehittyi nopeasti 1990-luvulla, mikä syrjäytti natriumkemian kasvun. Sitten vuonna 2000 natriumin saatavuus kovahiileen (HC), joka tarjoaisi samankaltaisen energiakapasiteetin kuin grafiitissa oleva Li, lisäsi tutkimuskiinnostusta SIB:itä kohtaan.
Natrium-ioniakun ja litiumioniakun vertailu
SIB:ien elpyminen yhdessä litiumvarantojen puutteesta johtuvan jatkuvasti kasvavan paineen ja vastaavan kustannusten nousun kanssa tarjoaa täydentävän strategian LIB:ille. SIB:t ovat saaneet yhä enemmän tutkimushuomiota yhdistettynä materiaalitieteen perustavanlaatuisiin saavutuksiin pyrkiessään tyydyttämään uusiutuvan energian teknologioiden kasvavaa leviämistä. SIB:ien solukomponentit ja sähkökemialliset reaktiomekanismit ovat pohjimmiltaan identtisiä LIB:ien kanssa, lukuun ottamatta varauksenkantajaa, joka on toisessa Na ja toisessa Li. Suurin syy SIB-materiaalien kemian nopeaan laajentumiseen johtuu näiden kahden alkalimetallin fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien yhtäläisyydestä.
Ensinnäkin SIB:ien toimintaperiaatteet ja solurakenne ovat samanlaisia kuin kaupallisten LIB:ien, vaikkakin Na toimii varauksen kantajana. Tyypillisessä SIB:ssä on neljä pääkomponenttia: katodimateriaali (yleensä Na-pitoinen yhdiste); anodimateriaali (ei välttämättä sisällä Na:ta); elektrolyytti (nestemäisessä tai kiinteässä tilassa); ja erotin. Latausprosessin aikana katodeista, jotka ovat tyypillisesti kerrostettuja metallioksideja ja polyanionisia yhdisteitä, uutetaan natriumioneja, jotka asetetaan sitten anodeihin, kun taas virta kulkee ulkoisen piirin kautta vastakkaiseen suuntaan. Purkaessaan Na poistuu anodeista ja palaa katodeihin prosessissa, jota kutsutaan "keinutuoliperiaatteeksi". Nämä yhtäläisyydet ovat mahdollistaneet SIB-teknologian alustavan ymmärtämisen ja nopean kasvun.
Lisäksi Na:n suurempi ionisäde tuo omat etunsa: sähkökemiallisen positiivisuuden lisääntynyt joustavuus ja vähentynyt desolvataatioenergia polaarisissa liuottimissa. Suurempi aukko ionisäteessä Li:n ja siirtymämetalli-ionien välillä johtaa yleensä materiaalisuunnittelun joustavuuden epäonnistumiseen. Sitä vastoin natriumpohjainen järjestelmä mahdollistaa joustavammat kiinteät rakenteet kuin litiumpohjainen järjestelmä, ja sillä on valtava ionijohtavuus. Tyypillinen esimerkki on β-Al2O3, jolle Na-interkalaatiolla on täydellinen koko ja korkea johtavuus. Natriumpohjaisessa järjestelmässä voidaan helposti toteuttaa kerroksellisempia siirtymämetallioksideja erilaisilla M+x+-pinoamistavoilla. Samoin laaja valikoima kiderakenteita, jotka tunnetaan natriumionijohtimen (NaSICON) perheestä, on paljon monimutkaisempi kuin litiumanalogien. Vielä tärkeämpää on, että NaSICON-yhdisteissä voidaan sallia paljon suurempi ioninjohtavuus, joka ylittää selvästi litiumionijohdeyhdisteiden (LiSICON) ioninjohtavuuden.
Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, systemaattiset tutkimukset erilaisilla aproottisilla polaarisilla liuottimilla ovat osoittaneet, että Na:n suurempi ionisäde aiheuttaa heikomman desolvataatioenergian. Pienemmällä Li:llä on suurempi pintavarauksen tiheys ytimen ympärillä kuin Na:lla, kun molemmilla on sama valenssi. Li on siksi termodynaamisesti stabiloitu jakamalla enemmän elektroneja polaaristen liuotinmolekyylien kanssa. Eli Li voidaan luokitella erään Lewis-hapon tyypiksi. Tämän seurauksena erittäin polarisoidulle Lille tarvitaan suhteellisen korkea desolvataatioenergia, mikä johtaa suhteellisen suureen siirtovastukseen, joka aiheutuu Li:n kuljetuksesta nestemäisestä tilasta (elektrolyytti) kiinteään tilaan (elektrodi). Koska desolvataatioenergia liittyy läheisesti neste/kiinteä-rajapinnassa tapahtuvaan siirtokinetiikkaan, suhteellisen alhainen desolvataatioenergia on merkittävä etu suuritehoisten SIB:ien suunnittelussa.
