Ионно-натриевые батареи – тип перезаряжаемых ионно-металлических батарей, использующий ионы натрия в качестве носителя периода.
Преимущества
Соли натрия, служащие наполнителем батареи, дешевы и распространены в гораздо больших количествах, чем литий. Это делает их рентабельной альтернативой, в частности – там, где масса и плотность энергии – не так важны (пример – накопление энергии в электросетях для таких возобновляемых источников, как ветряные и солнечные генераторы).
Эти ячейки могут быть полностью разряжены (до нулевого заряда) без ущерба активным материалам. Они могут храниться и безопасно перевозиться на кораблях. Ионно-литиевые батареи должны сохранять около 30 % заряда при хранении, чего достаточно для возможного короткого замыкания и воспламенения во время перевозки флотом.
Более того, ионно-натриевые батареи обладают отличными электрохимическими свойствами, в частности – заряд-разряд, обратимость, кулонометрический коэффициент и высокая удельная емкость разрядки.
Области применения
В 2014 году компания «Aquion Energy» предложила коммерчески доступные ионно-натриевые батареи с ценой и емкостью в кВт-ч, которые схожи со свинцово-кислыми батареями для их использования в качестве запасного источника питания для микроэлектросетей. Согласно заявлениям компании, их КПД – 85 %. В марте 2017 года компания подала документы в соответствии с главой 11 Закона о банкротстве.
В 2015 году исследователи заявили о появлении устройства, которое работает на ионно-литиевых батареях формата «18650», используемых, в том числе, в ноутбуках, сигнальных маяках на LED и автомобилях «Tesla Model S». Утверждается, что его плотность энергии равна 90 Вт-ч/кг, сравнимая с литий-железо-фосфатной батареей.
В 2016 году другие исследователи сообщили о создании модели устройства, использующего симметричные электроды из диоксида марганца в ванной с соленой водой, разделенные мембраной, которая позволяет катионам хлора пересекать ее. При зарядке анионы натрия переходят на электрод с одной стороны, а катионы хлора пересекают мембрану, уменьшая соленость на 63 %. При разрядке анионы натрия покидают электрод с одной стороны и переходят на другую сторону.
Характеристика
Ионно-натриевые элементы с напряжением в 3,6 Вт, по различным данным, способны хранить 115 Ач/кг энергии после 50 циклов, что равно удельной энергией катода на уровне около 400 Вт-ч/кг. Работа в последующих циклах ограничивает возможность безводных ионно-натриевых батарей конкурировать с коммерческими ионно-литиевыми элементами. В 2015 году компания «Faradion» заявила, что им удалось добиться увеличенного числа циклов в полностью заряженных ионно-натриевых элементах с использованием слоистых оксидных катодов.
Конструкция
Ионно-натриевые батареи в химических связях анодов. Заряд батареи вынуждает аноды натрия перемещаться от катода к аноду. Заряд уравновешивает прохождение электронов от катода через внешнюю цепь с зарядным устройством к аноду. Во время разрядки процесс идет в обратном порядке. Как только цепь замыкается, электроны возвращаются с анода к катоду, и анионы натрия возвращаются к катодам.
Аноды
Изначально «Acquion» использовала смесь активированного угля и фосфат титана, которые, в большинстве случаев, хранят заряд за счет электрохимической конденсации, в итоге дают малую плотность энергии и уменьшенное зарядное напряжение. Во многих отношениях фосфат титана похож на фосфат железа, используемый в других батареях с малым (анодным) электродным потенциалом.
При использовании NaxC6 в качестве анода среднее потенциальное плато было выше, чем у литиевых элементов. В отличие от традиционных литиевых элементов, которые вынуждены использовать анод с графитовой интеркаляцией с полностью литированной стехиометрией LiC6, содержание натрия в графите очень мало. Это происходит из-за слабой связи между натрием и углеродом. Фактически, квантово-механические вычисления показывают, что среди щелочных и щелочноземельных земельных металлов натрий и магний обладают слабейшими химическими связями для образования субстрата в сравнении с другими элементами той же группы периодической системы. Феномен следует из борьбы между направлениями энергии ионизации и взаимодействия между ионом и основой, следуя вниз по столбцам таблицы элементов. По этим причинам, углеродистые аноды на основаны на аморфном углероде, состоящем из пространственно дезориентированных графеновых пластин, дефектов и промежуточных пор. Эти аллотропы аморфного углерода могут быть твердыми или мягкими. Мягкие углеродные материалы могут быть преобразованы в графит путем отжига при высоких температурах. Жесткие углеродные материалы могут быть получены из такого сырья, как сахар, крахмал, волокно и некоторые полимеры.
Анодные сплавы
Уже изучены сплавы металлов для анодов, сделанные из сурьмы, олова, фосфора, германия и свинца. Углеродные аноды обеспечивают органические соединения для хранения анионов натрия, в то время как анодные сплавы формируют с ними неорганические соединения, типа Na3Sb, Na3Sn, Na3P. Эта способность теоретически дает анодным сплавам большую емкость, чем у углерода. В то время как аморфный углерод дает емкость в 300-400 мАч/г, теоретически у Na3P может быть емкость в 2596 мАч/г. Однако, процесс плавки требует больших объемов, свыше 400 %. Это ведет к разрушению и смещению плавящегося вещества, что ведет к пассивации и переходу в состояние «мертвого груза». Так называется неспособность нести ионы натрия. Неизвестно, ведет ли уменьшение объема к сокращению срока службы. Многие исследования анодных сплавов направлены на смягчение негативных эффектов от изменения объема.
Целлюлоза
В одном из исследований луженые деревянные аноды заменяют жесткие аноды. Доказано, что древесные волокна выдерживают до 400 циклов зарядки-разрядки. После сотен циклов, дерево становится морщинистым, но невредимым. Компьютерные модели показывают, что морщины сильно снижают нагрузку при зарядке и разрядке. Ионы натрия двигаются через волокнистые клетки древесины и рассеиваются на поверхности оловянной пленки.
Другое исследование использует в качестве электрода бумагу из сульфида (IV) молибдена и графена. Он хранит 230 Ач/кг, а кулонометрический коэффициент достигает почти 99 %.
Катод
Испытания катодных материалов Na2FePO4F и Li2FePO4F показали, что натрий-железо-фосфатный катод может вытеснить литий-железно-фосфатный аналог в литиевой ячейке. Ионно-литиевый и ионно-натриевый аккумуляторы в сочетании могли бы стоить гораздо меньше при производстве.
P2-Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 передает 190А-ч/кг обратимой энергии в натриевых элементах, используя электрохимически активную окислительно-восстановительную реакцию с анионами Fe3+/Fe4+при комнатной температуре. Триклинный кристалл Na2FeP2O7 был проверен по методу стеклокерамики в качестве перезаряжаемой ионно-натриевой батареи. Предыдущее стекло, также сделанное из этого кристалла, было подготовлено методом закалки из расплава. Соединение дает напряжение в 2,9 В, хранит энергию в 88 Ач/кг.
Отдельно протекает реакция с хромовыми катодами: NaF+(1-x)VPO4+xCrPO4 = NaV1-xCrxPO4F
Последствия легирования хромом катода и его влияние на характеристики были проанализированы в условиях кристаллической структуры, кривых заряда/разряда и характеристики цикла и показали, что легированные материалы показывают лучшую стабильность цикла. Изначальная обратимая емкость составляла 83,3 Ач/кг, а первый коэффициент заряда/разряда – около 90,3 %. После двадцатого цикла обратимая емкость составила 91,4 %.
