खोली-तापमान सोडियम-आयन बॅटरीचे पुनरुज्जीवन
पृथ्वीच्या कवचामध्ये मुबलक प्रमाणात सोडियम (Na) साठ्यामुळे आणि सोडियम आणि लिथियमच्या समान भौतिक-रासायनिक गुणधर्मांमुळे, सोडियम-आधारित इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा संचयन मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा साठवण आणि ग्रिड विकासासाठी महत्त्वपूर्ण वचन देते. उदाहरणार्थ, उच्च-तापमान शून्य उत्सर्जन बॅटरी संशोधन क्रियाकलाप पेशी Na/NiCl2 प्रणालींवर आधारित आहेत आणि उच्च-तापमान Na–S पेशी, जे स्थिर आणि मोबाइल अनुप्रयोगांचे यशस्वी व्यावसायिक प्रकरण आहेत, त्यांनी सोडियम-आधारित रिचार्जेबल बॅटरीची क्षमता आधीच प्रदर्शित केली आहे. तथापि, सुमारे 300 °C चे त्यांचे उच्च ऑपरेटिंग तापमान सुरक्षा समस्यांना कारणीभूत ठरते आणि सोडियम-आयन बॅटरी (SIBs) ची राउंड-ट्रिप कार्यक्षमता कमी करते. त्यामुळे खोली-तापमान (RT) SIBs ला LIB साठी सर्वात आशादायक पर्यायी तंत्रज्ञान मानले जाते.
मागील 200 वर्षांच्या बॅटरीच्या इतिहासात, LIB विकासाच्या बरोबरीने SIB वरील संशोधन उत्कटतेने केले गेले. लिथियमसाठी TiS2 ची इलेक्ट्रोकेमिकल क्रिया आणि ऊर्जा साठवणुकीसाठी त्याची व्यवहार्यता 1970 च्या दशकात प्रथम मांडण्यात आली. या शोधानंतर, 1980 च्या दशकाच्या सुरुवातीला TiS+2 मध्ये Na आयन टाकण्याची क्षमता लक्षात आली. LIB साठी कमी किमतीची आणि मध्यम क्षमतेची एनोड सामग्री म्हणून ग्रेफाइटचा शोध आणि सोडियम आयन इंटरकॅलेट करण्यात अयशस्वी झाल्यामुळे, 1990 मध्ये जलद LIB विकास झाला, ज्याने सोडियम रसायनशास्त्राच्या वाढीला मागे टाकले. त्यानंतर, 2000 मध्ये, हार्ड कार्बन (HC) मध्ये सोडियम स्टोरेजची उपलब्धता, जी ग्रेफाइटमधील ली सारखी ऊर्जा क्षमता प्रदान करेल, SIB मध्ये संशोधनाची आवड पुन्हा जिवंत झाली.
सोडियम-आयन बॅटरी आणि लिथियम-आयन बॅटरीची तुलना
SIB चे पुनरुज्जीवन — लिथियम साठ्याच्या उपलब्धतेच्या अभावामुळे सतत वाढत जाणारा दबाव आणि किंमतीतील तदनुषंगिक वाढ — LIB ला एक पूरक धोरण प्रदान करते. SIB ने नूतनीकरणक्षम ऊर्जा तंत्रज्ञानाच्या वाढत्या प्रवेशाचे समाधान करण्याच्या मोहिमेमध्ये, साहित्य विज्ञानातील मूलभूत यशांसह, संशोधनाकडे वाढते लक्ष वेधले आहे. सेल घटक आणि SIB चे इलेक्ट्रोकेमिकल रिॲक्शन मेकॅनिझम मूलत: LIB सारखेच असतात, चार्ज वाहक वगळता, जे एकामध्ये Na आणि दुसऱ्यामध्ये Li असते. SIB मटेरियल केमिस्ट्रीमध्ये जलद विस्तार होण्याचे प्रमुख कारण म्हणजे दोन अल्कली धातूंमधील भौतिक-रासायनिक गुणधर्मांमधील समांतरता.
प्रथम, SIB ची ऑपरेटिंग तत्त्वे आणि सेल बांधकाम व्यावसायिक LIB प्रमाणेच आहे, जरी Na चार्ज वाहक म्हणून काम करत आहे. ठराविक SIB मध्ये चार मुख्य घटक अस्तित्त्वात असतात: एक कॅथोड सामग्री (सामान्यतः एक Na-युक्त कंपाऊंड); एनोड सामग्री (ना असणे आवश्यक नाही); इलेक्ट्रोलाइट (द्रव किंवा घन अवस्थेत); आणि विभाजक. चार्ज प्रक्रियेदरम्यान, कॅथोड्समधून सोडियम आयन काढले जातात, जे सामान्यत: स्तरित मेटल ऑक्साईड आणि पॉलीआनिऑनिक संयुगे असतात, आणि नंतर एनोड्समध्ये घातल्या जातात, तर विद्युत् प्रवाह विरुद्ध दिशेने बाह्य सर्किटमधून प्रवास करतो. डिस्चार्ज करताना, Na एनोड्स सोडते आणि कॅथोड्समध्ये परत येते ज्याला "रॉकिंग-चेअर तत्त्व" म्हणतात. या समानतेमुळे SIB तंत्रज्ञानाची प्राथमिक समज आणि जलद वाढ शक्य झाली आहे.
शिवाय, Na ची मोठी आयनिक त्रिज्या स्वतःचे फायदे आणते: इलेक्ट्रोकेमिकल पॉझिटिव्हिटीची वाढलेली लवचिकता आणि ध्रुवीय सॉल्व्हेंट्समधील डी-सोलव्हेशन ऊर्जा कमी होते. ली आणि संक्रमण धातूच्या आयनमधील आयनिक त्रिज्यामधील मोठे अंतर सहसा मटेरियल डिझाइनची लवचिकता अपयशी ठरते. याउलट, सोडियम-आधारित प्रणाली लिथियम-आधारित प्रणालीपेक्षा अधिक लवचिक घन संरचना सक्षम करते आणि त्यात प्रचंड आयनिक चालकता असते. एक विशिष्ट उदाहरण β-Al2O3 आहे, ज्यासाठी Na इंटरकॅलेशनमध्ये परिपूर्ण आकार आणि उच्च चालकता आहे. वेगवेगळ्या M+x+ स्टॅकिंग मॅनर्ससह अधिक स्तरित संक्रमण मेटल ऑक्साइड सोडियम-आधारित प्रणालीमध्ये सहज लक्षात येऊ शकतात. त्याचप्रमाणे, सोडियम आयनिक कंडक्टर (NaSICON) फॅमिलीसाठी ओळखल्या जाणाऱ्या क्रिस्टल स्ट्रक्चर्सची विस्तृत विविधता लिथियम ॲनालॉग्सपेक्षा खूपच क्लिष्ट आहे. अधिक महत्त्वाचे म्हणजे, NaSICON संयुगांमध्ये जास्त आयनिक चालकता अनुमती दिली जाऊ शकते, जी लिथियम आयनिक कंडक्टर (LiSICON) यौगिकांमधील आयनिक चालकतेपेक्षा जास्त आहे.
शेवटचे परंतु कमीत कमी, वेगवेगळ्या ऍप्रोटिक ध्रुवीय सॉल्व्हेंट्ससह पद्धतशीर तपासणीने हे सिद्ध केले आहे की Na च्या मोठ्या आयनिक त्रिज्यामुळे कमकुवत विसर्जन ऊर्जा होते. जेव्हा दोन्हीकडे समान व्हॅलेन्स असते तेव्हा Na पेक्षा लहान Li ची पृष्ठभागावरील चार्ज घनता जास्त असते. त्यामुळे ध्रुवीय द्रावक रेणूंसोबत अधिक इलेक्ट्रॉन्स सामायिक करून ली थर्मोडायनामिकली स्थिर होते. म्हणजेच, ली हे लुईस ऍसिडचे एक प्रकार म्हणून वर्गीकृत केले जाऊ शकते. परिणामी, उच्च ध्रुवीकरण केलेल्या Li साठी तुलनेने उच्च विसर्जन उर्जेची आवश्यकता असते, ज्यामुळे Li च्या द्रव अवस्थेतून (इलेक्ट्रोलाइट) घन अवस्थेत (इलेक्ट्रोड) वाहतूक केल्याने तुलनेने मोठ्या हस्तांतरणास प्रतिकार होतो. द्रव/घन इंटरफेसवर होणाऱ्या हस्तांतरण गतीशास्त्राशी विघटन ऊर्जा जवळून संबंधित असल्याने, तुलनेने कमी विघटन ऊर्जा उच्च-शक्ती SIBs डिझाइन करण्यासाठी एक महत्त्वपूर्ण फायदा आहे.
