Giro-tenperaturako sodio-ioi baterien berpiztea
Lurraren lurrazaleko sodio (Na) erreserba ugariak direla eta, sodioaren eta litioaren antzeko propietate fisiko-kimikoen ondorioz, sodioan oinarritutako energia elektrokimikoak biltegiratzeak itxaropen handia du eskala handiko energia biltegiratzeko eta sarearen garapenerako. Esaterako, Na/NiCl2 sistemetan eta tenperatura altuko Na–S zeluletan oinarritutako tenperatura altuko zero isuriko baterien ikerketa-jarduera-zelulek, aplikazio geldiko eta mugikorren kasu komertzial arrakastatsuak, dagoeneko frogatu dute sodioan oinarritutako bateria kargagarrien potentziala. Hala ere, 300 °C inguruko funtzionamendu-tenperatura altuak segurtasun arazoak eragiten ditu eta sodio-ioizko baterien (SIB) joan-etorriko eraginkortasuna murrizten du. Giro-tenperaturako (RT) SIBak, beraz, LIBen teknologia alternatiborik itxaropentsuena bezala hartzen dira.
Baterien historian azken 200 urteetan, SIBei buruzko ikerketak sutsuki egin ziren LIB garapenarekin batera. Litiorako TiS2-ren jarduera elektrokimikoa eta energia biltegiratzeko bideragarritasuna 1970eko hamarkadan aurkeztu zen. Aurkikuntza horren ostean, 1980ko hamarkadaren hasieran gauzatu zen Na ioiak TiS+2-n txertatzeko gaitasuna. Grafitoa LIBentzako kostu baxuko eta edukiera ertaineko anodo-material gisa aurkitzearekin eta sodio ioiak tartekatzeko porrotarekin, LIBaren garapen azkarra gertatu zen 1990eko hamarkadan, sodioaren kimikaren hazkundea ordezkatuz. Gero, 2000. urtean, karbono gogorrean (HC) sodioa biltegiratzeko erabilgarritasunak, grafitoan Li-ren antzeko energia-ahalmena emango zuenak, SIBen ikerketa-interesa berritu zuen.
Sodio-ioizko bateriaren eta litio-ioizko bateriaren konparazioa
SIBen berpizteak —litio erreserben erabilgarritasun ezaren eta dagokion kostuaren igoeraren gero eta presio gero eta handiagoarekin batera— estrategia osagarri bat eskaintzen die LIBei. SIBek ikerketa-arreta gero eta handiagoa lortu dute, materialen zientzian oinarrizko lorpenekin batera, energia berriztagarrien teknologien gero eta sartze handiagoa asetzeko bidean. SIBen zelula-osagaiak eta erreakzio elektrokimiko-mekanismoak, funtsean, LIB-en berdinak dira, karga-eramailea izan ezik, Na batean eta Li bestean. SIB materialen kimikaren hedapen azkarraren arrazoi nagusia bi metal alkalinoen propietate fisiko-kimikoen paralelismoari dagokio.
Lehenik eta behin, SIBen funtzionamendu-printzipioak eta zelulen eraikuntza LIB komertzialen antzekoak dira, Na karga-eramaile gisa balio duen arren. SIB tipiko batean lau osagai nagusi daude: katodo-materiala (normalean Na duen konposatua); anodoko material bat (ez du nahitaez Na eduki); elektrolito bat (egoera likido edo solidoan); eta bereizle bat. Karga prozesuan, sodio ioiak ateratzen dira katodoetatik, normalean geruza metaliko oxidoak eta konposatu polianionikoak dira, eta ondoren anodoetan sartzen dira, korrontea kanpoko zirkuitu baten bidez kontrako noranzkoan doan bitartean. Deskargatzean, Na anodoetatik irten eta katodoetara itzultzen da " kulunkariaren printzipioa " deritzon prozesu batean. Antzekotasun hauek SIB teknologiaren aldez aurretiko ulermena eta hazkunde azkarra ahalbidetu dute.
Gainera, Na-ren erradio ioniko handiagoak bere abantailak ekartzen ditu: positibitate elektrokimikoaren malgutasuna areagotzea eta disolbazio-energia gutxitzea disolbatzaile polarretan. Li eta trantsizio metalezko ioien arteko erradio ionikoaren hutsuneak normalean materialaren diseinuaren malgutasunaren porrota ekartzen du. Aitzitik, sodioan oinarritutako sistema batek litioan oinarritutako sistemak baino egitura solido malguagoak ahalbidetzen ditu eta eroankortasun ioniko izugarria du. Adibide tipiko bat β-Al2O3 da, eta horretarako Na interkalazioa tamaina ezin hobea eta eroankortasun handia du. M+x+ pilaketa-modu desberdinak dituzten geruza gehiagoko trantsizio-metal oxidoak erraz lor daitezke sodioan oinarritutako sistema batean. Era berean, sodio eroale ionikoaren (NaSICON) familiarako ezagutzen diren kristal-egitura ugari litioaren analogoena baino askoz konplexuagoa da. Are garrantzitsuagoa dena, NaSICON konposatuetan eroankortasun ioniko askoz handiagoa onar daiteke, litio-eroale ionikoen (LiSICON) konposatuetan konduktibitate ionikoa askoz gainditzen duena.
Azkenik, disolbatzaile polar aprotiko ezberdinekin egindako ikerketa sistematikoek frogatu dute Na-ren erradio ioniko handiagoak desolbazio-energia ahulagoa eragiten duela. Li txikiagoak nukleoaren inguruan gainazaleko karga-dentsitate handiagoa du Na baino biek balentzia bera dutenean. Beraz, Li termodinamikoki egonkortzen da elektroi gehiago konpartituz disolbatzaile polar molekularekin. Hau da, Li Lewis azido mota gisa sailka daiteke. Ondorioz, oso polarizatuta dagoen Lirako desolbazio-energia nahiko altua behar da, eta transferentzia-erresistentzia handi samarra eragiten du Li egoera likidotik (elektrolitoa) egoera solidora (elektrodoa) garraiatzean. Desolbazio-energia likido/solido interfazean gertatzen den transferentzia-zinetikarekin oso lotuta dagoenez, desolbazio-energia nahiko baxua abantaila nabarmena da potentzia handiko SIBak diseinatzeko.
