Оживљавање натријум-јонских батерија на собној температури
Због обилних резерви натријума (На) у Земљиној кори и сличних физичко-хемијских својстава натријума и литијума, електрохемијско складиштење енергије на бази натријума обећава значајно складиштење енергије великих размера и развој мреже. На пример, ћелије за истраживање батерија са нултом емисијом високе температуре засноване на На/НиЦл2 системима и високотемпературне На–С ћелије, које су успешни комерцијални случајеви стационарних и мобилних апликација, већ су показале потенцијал пуњивих батерија на бази натријума. Међутим, њихова висока радна температура од око 300 °Ц изазива безбедносне проблеме и смањује повратну ефикасност натријум-јонских батерија (СИБ). Због тога се СИБ на собној температури (РТ) широко сматрају алтернативном технологијом која највише обећава за ЛИБ.
Током историје батерија у последњих 200 година, истраживање СИБ-а је било ватрено спроведено упоредо са развојем ЛИБ-а. Електрохемијска активност ТиС2 за литијум и његова изводљивост за складиштење енергије први пут је представљена 1970-их. Након овог открића, способност На јона да се убаце у ТиС+2 је реализована почетком 1980-их. Са открићем графита као јефтиног анодног материјала средњег капацитета за ЛИБ и неуспехом да се интеркалирају натријумови јони, 1990-их се догодио брзи развој ЛИБ-а, који је заменио раст у хемији натријума. Затим, 2000. године, доступност складиштења натријума у тврдом угљенику (ХЦ), који би испоручио енергетски капацитет сличан оном Ли у графиту, подмладила је истраживачки интерес за СИБ.
Поређење натријум-јонске батерије и литијум-јонске батерије
Оживљавање СИБ-а—заједно са све већим притиском због недостатка резерви литијума и одговарајуће ескалације трошкова—пружа комплементарну стратегију за ЛИБ-ове. СИБ-ови су задобили све већу истраживачку пажњу, у комбинацији са фундаменталним достигнућима у науци о материјалима, у жељи да задовоље све већи продор технологија обновљивих извора енергије. Компоненте ћелије и механизми електрохемијске реакције СИБ-а су у основи идентични онима код ЛИБ-а, осим носиоца набоја, који је На у једном и Ли у другом. Главни разлог за брзу експанзију у хемији СИБ материјала приписује се паралелама у физичко-хемијским особинама између два алкална метала.
Прво, принципи рада и конструкција ћелија СИБ-а су слични онима код комерцијалних ЛИБ-ова, иако На служи као носилац набоја. Четири главне компоненте постоје у типичном СИБ: материјал катоде (обично једињење које садржи На); анодни материјал (који не садржи обавезно На); електролит (у течном или чврстом стању); и сепаратор. Током процеса пуњења, натријумови јони се екстрахују из катода, које су обично слојевити метални оксиди и полиањонска једињења, а затим се убацују у аноде, док струја путује преко спољашњег кола у супротном смеру. Приликом пражњења, На напушта аноде и враћа се у катоде у процесу који се назива „принцип столице за љуљање“. Ове сличности су омогућиле прелиминарно разумевање и брз раст СИБ технологије.
Штавише, већи јонски радијус На доноси своје предности: повећану флексибилност електрохемијске позитивности и смањену енергију десолватације у поларним растварачима. Већи јаз у јонском радијусу између Ли и јона прелазног метала обично доводи до неуспеха флексибилности дизајна материјала. Насупрот томе, систем заснован на натријуму омогућава флексибилније чврсте структуре од система на бази литијума и поседује огромну јонску проводљивост. Типичан пример је β-Ал2О3, за који интеркалација На има савршену величину и високу проводљивост. Слојевитији оксиди прелазних метала са различитим М+к+ начинима слагања могу се лако реализовати у систему на бази натријума. Слично томе, широка лепеза кристалних структура које су познате за породицу натријум јонских проводника (НаСИЦОН) је много компликованија од оне код литијумских аналога. Што је још важније, много већа јонска проводљивост може бити дозвољена у једињењима НаСИЦОН, која далеко превазилази јонску проводљивост у једињењима литијум јонског проводника (ЛиСИЦОН).
На крају, али не и најмање важно, систематска истраживања са различитим апротичним поларним растварачима су показала да већи јонски радијус На узрокује слабију енергију десолватације. Мањи Ли има већу површинску густину наелектрисања око језгра од На када оба поседују исту валенцу. Ли је стога термодинамички стабилизован дељењем више електрона са поларним молекулима растварача. То јест, Ли се може класификовати као врста Луисове киселине. Као резултат, потребна је релативно висока енергија десолватације за високо поларизован Ли, што доводи до релативно великог отпора преноса изазваног транспортом Ли из течног стања (електролита) у чврсто стање (електрода). Пошто је енергија десолватације уско повезана са кинетиком преноса која се јавља на интерфејсу течност/чврсто тело, релативно ниска енергија десолватације је значајна предност за пројектовање СИБ-ова велике снаге.
