Akumulator sodowo-jonowy

Akumulator sodowo-jonowy – rodzaj akumulatora elektrycznego, w którym jako nośniki ładunku wykorzystywane są jony sodu (Na⁺). W roku 2009 akumulator był w fazie prac eksperymentalnych, jednak w przyszłości może się on okazać tańszą alternatywą dla obecnie powszechnie stosowanego akumulatora litowo-jonowego^[1]. W związku z faktem, że sód jest pierwiastkiem dużo powszechniejszym w naturze niż lit, z którego tworzone są obecnie baterie o najlepszych parametrach^[1], potencjalny rozwój ogniw sodowo-jonowych stwarza możliwości stworzenia technologii tańszej i bardziej opłacalnej niż obecnie stosowane. W przeciwieństwie do akumulatora sodowo-siarkowego^[2], baterie sodowo-jonowe można stosować w przenośnej elektronice. Mogą również być używane w temperaturze pokojowej (ok. 25 °C).

Magazynowanie energii

Tak jak inne rodzaje akumulatorów, baterie sodowo-jonowe magazynują energię w wiązaniach chemicznych anody. Podczas ładowania jony Na⁺ migrują w kierunku anody. Jednocześnie elektrony równoważące ładunek przechodzą z katody do anody zewnętrznym obwodem elektrycznym. W czasie rozładowania zachodzi proces odwrotny – następuje przepływ elektronów z powrotem z anody do katody, a jony Na⁺ przenikają z powrotem do katody^[3].

Dotychczas odnotowano napięcie ogniw sodowo-jonowych wynoszące 3,6 V. Jednocześnie akumulatory te wykazały zdolność do utrzymania 115 mAh/g podczas 50 cykli ładowania i rozładowania, co oznacza pojemność równą około 400 Wh/kg^[4]. Mimo tego, ogniwa sodowo-jonowe są w dalszym ciągu niezdolne do utrzymania silnego ładunku po wielokrotnym ładowaniu i rozładowaniu. Po 50 cyklach większość akumulatorów sodowo-jonowych zachowuje jedynie 50% pierwotnej pojemności^[4].

Anoda

Po zastosowaniu Na_xC₆ jako anody, średnie napięcie na plateau niskiego potencjału było wyższe dla ogniw sodowo-jonowych w porównaniu z ogniwami litowo-jonowymi. Materiały węglowe mogą być otrzymywane z węglowodanów^[5].

Anody z włókien drewnianych pokrytych cyną mogą zastąpić dotychczas stosowane sztywne materiały anodowe, które są zbyt kruche by wytrzymać cykliczne kurczenie się i rozszerzanie materiału na skutek interkalacji i deinterkalacji jonów sodu do struktury krystalicznej związku. Włókna drewniane są wystarczająco elastyczne by wytrzymać nawet ponad 400 cykli ładowania i rozładowania – po przeprowadzeniu setek cykli, struktura drewna pozostała nieuszkodzona. Modele komputerowe pokazują, że powstające na powierzchni drewna nierówności równoważą naprężenia, jakim poddawana jest bateria w czasie ładowania i rozładowania, co zwiększa odporność materiału na cykliczną pracę baterii i pozwala mu wytrzymać nawet setki cykli. Jony sodu przemieszczają się poprzez ścianki włókna drewna i poprzez dyfuzję na powierzchni cyny.

Opracowany został też rodzaj papieru kompozytowego, który może być wykorzystywany jako anoda w akumulatorach sodowo-jonowych^[6].

Katoda

W katodach ogniw sodowo-jonowych wykorzystuje się mieszane fosforany i ich pochodne.

Na₂FePO₄F

Testy Na₂FePO₄F i Li₂FePO₄F jako materiałów katodowych wykazały, że związek zawierający sód z łatwością zastępuje ten mający w składzie lit w ogniwie typu Li-ion^[4]. Połączenie technologii Na-ion i Li-ion mogłoby skutkować obniżeniem całkowitej ceny akumulatora^[4].

Na_2/3[Fe_1/2Mn_1/2]O₂

Materiał elektrodowy Na_2/3[Fe_1/2Mn_1/2]O₂ typu P2 osiąga odwracalną pojemność rzędu 190 mAh/g w ogniwie sodowo-jonowym, wykorzystując reakcję redoks Fe³⁺/Fe⁴⁺ w temperaturze pokojowej^[7].

Na₂FeP₂O₇

Innym związkiem badanym jako potencjalny materiał katodowy jest Na₂FeP₂O₇ mający strukturę szklistą. Ogniwa z jego użyciem miały napięcie 2,9 V i pojemność 88 mAh/g.

NaV_1−xCr_xPO₄F

Proponowane są też katody zawierające chrom i wanad, dla których zachodzi następująca reakcja:

NaF + (1−x)VPO₄ + xCrPO₄ → NaV_1−xCr_xPO₄F

Powyższe materiały katodowe zachowują więcej pojemności podczas cyklicznego ładownia i rozładowania. Efekty domieszkowania materiału katodowego za pomocą chromu zostały przeanalizowane pod względem wpływu na strukturę krystaliczną oraz krzywe ładowania i rozładowania. Badania te wykazały, że materiał domieszkowany Cr wykazuje większą stabilność cykli baterii. Początkowa odwracalna pojemność wynosiła 83,3 mAh/g, a sprawność pierwszego cyklu ładowania-rozładowania 90,3%. Retencja odwracalnej pojemności materiału osiągnęła ok. 91,5% po 20 cyklach ładowania i rozładowania^[4][8].

Przypisy