De heropleving van natrium-ionbatterijen op kamertemperatuur
Vanwege de overvloedige natrium (Na)-reserves in de aardkorst en vanwege de vergelijkbare fysisch-chemische eigenschappen van natrium en lithium, houdt op natrium gebaseerde elektrochemische energieopslag een grote belofte in voor grootschalige energieopslag en netwerkontwikkeling. Onderzoekscellen op basis van Na/NiCl2-systemen op basis van Na/NiCl2-systemen op hoge temperatuur en Na-S-cellen op hoge temperatuur, die succesvolle commerciële voorbeelden zijn van stationaire en mobiele toepassingen, hebben bijvoorbeeld al het potentieel van op natrium gebaseerde oplaadbare batterijen aangetoond. Hun hoge bedrijfstemperatuur van ongeveer 300 °C veroorzaakt echter veiligheidsproblemen en vermindert de retourefficiëntie van natriumionbatterijen (SIB's). SIB's op kamertemperatuur (RT) worden daarom algemeen beschouwd als de meest veelbelovende alternatieve technologie voor LIB's.
Gedurende de geschiedenis van batterijen in de afgelopen 200 jaar werd onderzoek naar SIB's vurig zij aan zij met LIB-ontwikkeling uitgevoerd. De elektrochemische activiteit van TiS2 voor lithium en de haalbaarheid ervan voor energieopslag werden voor het eerst naar voren gebracht in de jaren zeventig. Na deze ontdekking werd begin jaren tachtig de mogelijkheid gerealiseerd dat Na-ionen in TiS+2 konden worden ingevoegd. Met de ontdekking van grafiet als een goedkoop anodemateriaal met een gemiddelde capaciteit voor LIB's en het onvermogen om natriumionen te intercaleren, vond in de jaren negentig een snelle LIB-ontwikkeling plaats, die de groei in de natriumchemie verdrong. Vervolgens, in 2000, zorgde de beschikbaarheid voor natriumopslag in harde koolstof (HC), die een energiecapaciteit zou opleveren die vergelijkbaar is met die van Li in grafiet, voor een verjonging van de onderzoeksinteresse in SIB's.
Een vergelijking van natrium-ionbatterij en lithium-ionbatterij
De heropleving van SIB’s – in combinatie met de steeds toenemende druk van het gebrek aan beschikbaarheid van lithiumreserves en de daarmee gepaard gaande kostenescalatie – biedt een aanvullende strategie voor LIB’s. SIB's hebben steeds meer onderzoeksaandacht gekregen, gecombineerd met fundamentele prestaties in de materiaalkunde, in het streven om tegemoet te komen aan de toenemende penetratie van hernieuwbare energietechnologieën. De celcomponenten en de elektrochemische reactiemechanismen van SIB's zijn in principe identiek aan die van LIB's, behalve de ladingsdrager, die Na is in de ene en Li in de andere. De belangrijkste reden voor de snelle expansie van de SIB-materiaalchemie wordt toegeschreven aan de parallellen in fysisch-chemische eigenschappen tussen de twee alkalimetalen.
Ten eerste zijn de werkingsprincipes en celconstructie van SIB's vergelijkbaar met die van commerciële LIB's, zij het waarbij Na als ladingsdrager fungeert. Een typische SIB bestaat uit vier hoofdcomponenten: een kathodemateriaal (meestal een Na-bevattende verbinding); een anodemateriaal (dat niet noodzakelijkerwijs Na bevat); een elektrolyt (in vloeibare of vaste toestand); en een afscheider. Tijdens het laadproces worden natriumionen uit de kathodes gehaald, meestal gelaagde metaaloxiden en polyanionische verbindingen, en vervolgens in de anodes ingebracht, terwijl de stroom via een extern circuit in de tegenovergestelde richting loopt. Bij het ontladen verlaat Na de anodes en keert terug naar de kathodes in een proces dat 'het schommelstoelprincipe' wordt genoemd. Deze overeenkomsten hebben het voorlopige inzicht in en de snelle groei van de SIB-technologie mogelijk gemaakt.
Bovendien brengt de grotere ionenstraal van Na zijn eigen voordelen met zich mee: verhoogde flexibiliteit van elektrochemische positiviteit en verminderde desolvatie-energie in polaire oplosmiddelen. De grotere opening in de ionenstraal tussen Li en de overgangsmetaalionen leidt gewoonlijk tot falen van de flexibiliteit van het materiaalontwerp. Een op natrium gebaseerd systeem maakt daarentegen flexibelere vaste structuren mogelijk dan een op lithium gebaseerd systeem, en bezit een enorme ionische geleidbaarheid. Een typisch voorbeeld is β-Al2O3, waarvoor Na-intercalatie de perfecte grootte en hoge geleidbaarheid heeft. Meer gelaagde overgangsmetaaloxiden met verschillende M+x+ stapelmanieren kunnen eenvoudig worden gerealiseerd in een op natrium gebaseerd systeem. Op dezelfde manier is de grote verscheidenheid aan kristalstructuren die bekend staan uit de familie van natriumionengeleiders (NaSICON) veel gecompliceerder dan die van de lithium-analogen. Wat nog belangrijker is, is dat een veel hogere ionische geleidbaarheid kan worden toegestaan in NaSICON-verbindingen, die de ionische geleidbaarheid in lithiumionengeleider (LiSICON)-verbindingen ruimschoots overtreft.
Last but not least hebben systematische onderzoeken met verschillende aprotische polaire oplosmiddelen aangetoond dat de grotere ionenstraal van Na een zwakkere desolvatie-energie veroorzaakt. De kleinere Li heeft een hogere oppervlakteladingsdichtheid rond de kern dan Na wanneer beide dezelfde valentie hebben. Li wordt daarom thermodynamisch gestabiliseerd door meer elektronen te delen met de polaire oplosmiddelmoleculen. Dat wil zeggen, Li kan worden geclassificeerd als een type Lewis-zuur. Als gevolg hiervan is een relatief hoge desolvatie-energie nodig voor het sterk gepolariseerde Li, wat leidt tot een relatief grote overdrachtsweerstand die wordt geïnduceerd door het transport van Li van de vloeibare toestand (elektrolyt) naar de vaste toestand (elektrode). Omdat de desolvatie-energie nauw verwant is aan de overdrachtskinetiek die plaatsvindt op het grensvlak tussen vloeistof en vaste stof, is de relatief lage desolvatie-energie een aanzienlijk voordeel voor het ontwerpen van SIB's met hoog vermogen.
