कोठा-तापमान सोडियम-आयन ब्याट्रीहरूको पुनरुत्थान
पृथ्वीको क्रस्टमा प्रचुर मात्रामा सोडियम (Na) भण्डार र सोडियम र लिथियमको समान भौतिक रासायनिक गुणहरूको कारण, सोडियम-आधारित इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भण्डारणले ठूलो मात्रामा ऊर्जा भण्डारण र ग्रिड विकासको लागि महत्त्वपूर्ण प्रतिज्ञा राख्छ। उदाहरणका लागि, उच्च-तापमान शून्य उत्सर्जन ब्याट्री अनुसन्धान गतिविधि कोशिकाहरू Na/NiCl2 प्रणालीहरूमा आधारित छन् र उच्च-तापमान Na-S कक्षहरू, जुन स्थिर र मोबाइल अनुप्रयोगहरूको सफल व्यावसायिक केसहरू हुन्, पहिले नै सोडियम-आधारित रिचार्जेबल ब्याट्रीहरूको क्षमता प्रदर्शन गरिसकेका छन्। यद्यपि, तिनीहरूको 300 डिग्री सेल्सियसको उच्च परिचालन तापक्रमले सुरक्षा समस्याहरू निम्त्याउँछ र सोडियम-आयन ब्याट्रीहरू (SIBs) को राउन्ड-ट्रिप दक्षता घटाउँछ। कोठा-तापमान (RT) SIBs लाई LIBs को लागि सबैभन्दा आशाजनक वैकल्पिक प्रविधिको रूपमा व्यापक रूपमा मानिन्छ।
गत 200 वर्षहरूमा ब्याट्रीहरूको इतिहासमा, SIBs मा अनुसन्धान LIB विकासको साथ-साथै गरिएको थियो। लिथियमको लागि TiS2 को इलेक्ट्रोकेमिकल गतिविधि र ऊर्जा भण्डारणको लागि यसको सम्भाव्यता पहिलो पटक 1970 मा अगाडि राखिएको थियो। यस खोज पछि, TiS+2 मा सम्मिलित गर्न को लागी Na ion को क्षमता 1980 को शुरुवात मा महसुस भयो। LIBs को लागि कम लागत र मध्यम-क्षमता एनोड सामग्रीको रूपमा ग्रेफाइटको खोज र सोडियम आयनहरू इन्टरकेलेट गर्न असफल भएपछि, 1990s मा द्रुत LIB विकास भयो, सोडियम रसायन विज्ञानको वृद्धिलाई हटाउँदै। त्यसपछि, 2000 मा, हार्ड कार्बन (HC) मा सोडियम भण्डारणको लागि उपलब्धता, जसले ग्रेफाइटमा ली जस्तै ऊर्जा क्षमता प्रदान गर्दछ, SIBs मा अनुसन्धान रुचि पुनर्जीवित भयो।
सोडियम-आयन ब्याट्री र लिथियम-आयन ब्याट्रीको तुलना
SIBs को पुनरुत्थान - लिथियम भण्डारको उपलब्धताको कमी र लागतमा समान वृद्धिको कारणले बढ्दो दबाबसँग जोडिएको - LIBs लाई पूरक रणनीति प्रदान गर्दछ। SIBs ले नवीकरणीय ऊर्जा प्रविधिको बढ्दो प्रवेशलाई सन्तुष्ट पार्ने अभियानमा सामग्री विज्ञानमा आधारभूत उपलब्धिहरूसँगै बढ्दो अनुसन्धान ध्यान प्राप्त गरेको छ। सेल कम्पोनेन्टहरू र SIBs को इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया संयन्त्रहरू मूलतया LIBs सँग समान छन्, चार्ज क्यारियर बाहेक, जुन एकमा Na र अर्कोमा Li छ। SIB सामग्री रसायन विज्ञानमा द्रुत विस्तारको प्रमुख कारण दुई क्षारीय धातुहरू बीचको भौतिक रसायनिक गुणहरूमा समानान्तरहरू हुन्।
पहिलो, SIB को सञ्चालन सिद्धान्त र सेल निर्माण व्यावसायिक LIB हरू जस्तै छन्, यद्यपि Na ले चार्ज क्यारियरको रूपमा सेवा गरिरहेको छ। सामान्य SIB मा चार मुख्य कम्पोनेन्टहरू अवस्थित छन्: क्याथोड सामग्री (सामान्यतया एक Na-युक्त यौगिक); एक एनोड सामग्री (ना आवश्यक छैन); एक इलेक्ट्रोलाइट (तरल वा ठोस अवस्थामा); र एक विभाजक। चार्ज प्रक्रियाको बखत, सोडियम आयनहरू क्याथोडहरूबाट निकालिन्छन्, जुन सामान्यतया स्तरित धातु अक्साइडहरू र पोलिआनोनिक यौगिकहरू हुन्छन्, र त्यसपछि एनोडहरूमा सम्मिलित हुन्छन्, जबकि वर्तमानले विपरीत दिशामा बाह्य सर्किट मार्फत यात्रा गर्दछ। डिस्चार्ज गर्दा, Na एनोडहरू छोड्छ र "रकिङ-चेयर सिद्धान्त" भनिने प्रक्रियामा क्याथोडहरूमा फर्कन्छ। यी समानताहरूले SIB प्रविधिको प्रारम्भिक बुझाइ र द्रुत वृद्धिलाई सक्षम बनाएको छ।
यसबाहेक, Na को ठूलो आयनिक त्रिज्याले यसको आफ्नै फाइदाहरू ल्याउँछ: इलेक्ट्रोकेमिकल सकारात्मकताको लचिलोपन बढ्यो र ध्रुवीय विलायकहरूमा डि-सोलभेसन ऊर्जा घट्यो। ली र ट्रान्जिसन मेटल आयनहरू बीचको आयनिक त्रिज्यामा ठूलो अन्तरले सामान्यतया सामग्री डिजाइनको लचिलोपनको विफलता निम्त्याउँछ। यसको विपरित, सोडियम-आधारित प्रणालीले लिथियम-आधारित प्रणाली भन्दा बढी लचिलो ठोस संरचनाहरूलाई सक्षम बनाउँछ, र ठूलो आयनिक चालकता छ। एक विशिष्ट उदाहरण β-Al2O3 हो, जसको लागि Na intercalation को सही आकार र उच्च चालकता छ। विभिन्न M+x+ स्ट्याकिङ शिष्टाचारका साथ थप स्तरित ट्रान्जिसन मेटल अक्साइडहरू सोडियम-आधारित प्रणालीमा सजिलै महसुस गर्न सकिन्छ। त्यसैगरी, सोडियम आयनिक कन्डक्टर (NaSICON) परिवारका लागि चिनिने क्रिस्टल संरचनाहरूको विस्तृत विविधता लिथियम एनालगहरू भन्दा धेरै जटिल छ। अझ महत्त्वपूर्ण कुरा, NaSICON यौगिकहरूमा धेरै उच्च आयनिक चालकतालाई अनुमति दिन सकिन्छ, जुन लिथियम आयनिक कन्डक्टर (LiSICON) यौगिकहरूमा आयनिक चालकता भन्दा बढी छ।
अन्तिम तर कम्तिमा होइन, विभिन्न एप्रोटिक ध्रुवीय विलायकहरूसँग व्यवस्थित अनुसन्धानले Na को ठूलो आयनिक त्रिज्याले कमजोर विघटन ऊर्जा निम्त्याउँछ भनेर देखाएको छ। सानो Li सँग Na भन्दा कोर वरिपरि उच्च सतह चार्ज घनत्व हुन्छ जब दुबैको समान संयोजकता हुन्छ। त्यसैले ध्रुवीय विलायक अणुहरूसँग थप इलेक्ट्रोनहरू साझेदारी गरेर लीलाई थर्मोडायनामिक रूपमा स्थिर गरिन्छ। अर्थात्, लीलाई लुइस एसिडको प्रकारको रूपमा वर्गीकृत गर्न सकिन्छ। नतिजाको रूपमा, उच्च ध्रुवीकृत लीको लागि अपेक्षाकृत उच्च विघटन ऊर्जा चाहिन्छ, जसले तरल अवस्था (इलेक्ट्रोलाइट) बाट ठोस अवस्था (इलेक्ट्रोड) मा लीको ढुवानीद्वारा अपेक्षाकृत ठूलो स्थानान्तरण प्रतिरोधलाई प्रेरित गर्दछ। तरल/ठोस इन्टरफेसमा हुने स्थानान्तरण गतिविज्ञानसँग नजीकको विघटन ऊर्जा सम्बन्धित भएको हुनाले, उच्च-शक्ति SIB हरू डिजाइन गर्नको लागि अपेक्षाकृत कम विघटन ऊर्जा महत्त्वपूर्ण फाइदा हो।
