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], akumulatory sodowo-jonowe można stosować w przenośnej elektronice. Mogą również być używane w temperaturze pokojowej (ok. 25 °C).
Magazynowanie energii
edytujTak 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
edytujPo zastosowaniu NaxC6 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
edytujW 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].
- Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2
Materiał elektrodowy Na2/3[Fe1/2Mn1/2]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.
- NaV1−xCrxPO4F
Proponowane są też katody zawierające chrom i wanad, dla których zachodzi następująca reakcja:
- NaF + (1−x)VPO4 + xCrPO4 → NaV1−xCrxPO4F
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].
| Materiały katodowe | Pojemność pierwszego ładowania [mAh/g] | Pojemność pierwszego rozładowania [mAh/g] | Strata pojemności w czasie pierwszego cyklu [mAh/g] | Odwracalna sprawność w pierwszym cyklu [%] | Pojemność rozładowania w 20 cyklu [mAh/g] | Stosunek retencji pojemności po 20 cyklu [%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| NaV0,92Cr0,08PO4F | 83,3 | 75,2 | 8,1 | 90,3 | 68,8 | 91,4 |
| NaV0,96Cr0,04PO4F | 93,3 | 82,6 | 10,7 | 88,5 | 67,9 | 82,2 |
| NaVPO4F | 106,9 | 87,7 | 19,2 | 82,0 | 64,5 | 73,5 |
Przypisy
edytuj- ↑ a b Kevin Bullis: Sodium-Ion Cells for Cheap Energy Storage. MIT Technology Review, 2009-12-02. [dostęp 2014-09-15]. [zarchiwizowane z tego adresu (2012-04-28)].
- ↑ About Sodium-Sulfur (NaS) Batteries. [w:] The Energy Blog [on-line]. 2006-01-18. [dostęp 2014-09-15].
- ↑ Steven S. Zumdahl: Chemical Principles. Wyd. 6. Cengage Learning, 2009, s. 495.
- ↑ a b c d e Ellis, B. L., Makahnouk, W. R. M., Makimura, Y., Toghill, K. i inni. A multifunctional 3.5 V iron-based phosphate cathode for rechargeable batteries. „Nat Mater”. 6 (10), s. 749–753, 2007. DOI: 10.1038/nmat2007.
- ↑ Stevens, D. A., Dahn, J. R. High Capacity Anode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries. „Journal of The Electrochemical Society”. 147 (4), s. 1271–1273, 2000. DOI: 10.1149/1.1393348.
- ↑ Indian-origin develops paper electrode for sodium-ion battery. [w:] Economic Times [on-line]. 2014-01-30. [dostęp 2014-09-15].
- ↑ Yabuuchi, Naoaki, Kajiyama, Masataka, Iwatate, Junichi, Nishikawa, Heisuke i inni. P2-type Nax[Fe1/2Mn1/2]O2 made from earth-abundant elements for rechargeable Na batteries. „Nat Mater”. 11 (6), s. 512–517, 2012. DOI: 10.1038/nmat3309.
- ↑ Haitao Zhuo i inni, The preparation of NaV1−xCrxPO4F cathode materials for sodium-ion battery, „Journal of Power Sources”, 160 (1), 2006, s. 698–703, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2005.12.079.