Sự hồi sinh của pin natri-ion ở nhiệt độ phòng
Do trữ lượng natri (Na) dồi dào trong lớp vỏ Trái đất và các đặc tính hóa lý tương tự của natri và lithium, việc lưu trữ năng lượng điện hóa dựa trên natri hứa hẹn đáng kể cho việc lưu trữ năng lượng và phát triển lưới điện quy mô lớn. Ví dụ, các tế bào hoạt động nghiên cứu pin không phát thải ở nhiệt độ cao dựa trên hệ thống Na/NiCl2 và tế bào Na–S nhiệt độ cao, là những trường hợp thương mại thành công của các ứng dụng cố định và di động, đã chứng minh tiềm năng của pin sạc gốc natri. Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động cao khoảng 300°C của chúng gây ra các vấn đề về an ninh và làm giảm hiệu suất khứ hồi của pin natri-ion (SIB). Do đó, SIB ở nhiệt độ phòng (RT) được nhiều người coi là công nghệ thay thế hứa hẹn nhất cho LIB.
Trong lịch sử của pin trong 200 năm qua, nghiên cứu về SIB đã được thực hiện tích cực song song với sự phát triển của LIB. Hoạt tính điện hóa của TiS2 đối với lithium và tính khả thi của nó trong việc lưu trữ năng lượng lần đầu tiên được đưa ra vào những năm 1970. Sau phát hiện này, khả năng đưa ion Na vào TiS+2 đã được thực hiện vào đầu những năm 1980. Với việc phát hiện ra than chì như một vật liệu cực dương có chi phí thấp và công suất vừa phải cho LIB và sự thất bại trong việc xen kẽ các ion natri, sự phát triển LIB nhanh chóng đã xảy ra vào những năm 1990, thay thế sự phát triển của ngành hóa học natri. Sau đó, vào năm 2000, sự sẵn có của khả năng lưu trữ natri trong carbon cứng (HC), sẽ mang lại công suất năng lượng tương tự như Li trong than chì, đã làm trẻ hóa mối quan tâm nghiên cứu về SIB.
So sánh pin Natri-ion và pin Lithium-ion
Sự hồi sinh của SIB - cùng với áp lực ngày càng tăng do thiếu nguồn dự trữ lithium và sự leo thang tương ứng về chi phí - mang lại một chiến lược bổ sung cho LIB. SIB ngày càng thu hút được sự quan tâm nghiên cứu, kết hợp với những thành tựu cơ bản trong khoa học vật liệu, nhằm đáp ứng sự thâm nhập ngày càng tăng của các công nghệ năng lượng tái tạo. Các thành phần tế bào và cơ chế phản ứng điện hóa của SIB về cơ bản giống với LIB, ngoại trừ chất mang điện là Na ở một và Li ở chất kia. Lý do chính cho sự mở rộng nhanh chóng của ngành hóa học vật liệu SIB là do sự tương đồng về tính chất hóa lý giữa hai kim loại kiềm.
Đầu tiên, nguyên tắc hoạt động và cấu trúc tế bào của SIB tương tự như nguyên tắc hoạt động của LIB thương mại, mặc dù Na đóng vai trò là chất mang điện. Bốn thành phần chính tồn tại trong SIB điển hình: vật liệu catốt (thường là hợp chất chứa Na); vật liệu làm cực dương (không nhất thiết phải chứa Na); chất điện phân (ở trạng thái lỏng hoặc rắn); và một dấu phân cách. Trong quá trình tích điện, các ion natri được tách ra khỏi cực âm, thường là các oxit kim loại và hợp chất đa anion xếp lớp, sau đó được đưa vào cực dương, trong khi dòng điện truyền qua mạch ngoài theo hướng ngược lại. Khi phóng điện, Na rời khỏi cực dương và quay trở lại cực âm theo một quá trình được gọi là “nguyên lý ghế bập bênh”. Những điểm tương đồng này đã tạo điều kiện cho sự hiểu biết sơ bộ và sự phát triển nhanh chóng của công nghệ SIB。
Hơn nữa, bán kính ion lớn hơn của Na mang lại những ưu điểm riêng: tăng tính linh hoạt của độ dương điện hóa và giảm năng lượng khử hòa tan trong dung môi phân cực. Khoảng cách lớn hơn trong bán kính ion giữa Li và các ion kim loại chuyển tiếp thường dẫn đến sự mất tính linh hoạt của thiết kế vật liệu. Ngược lại, hệ thống dựa trên natri cho phép các cấu trúc rắn linh hoạt hơn hệ thống dựa trên lithium và có độ dẫn ion rất lớn. Một ví dụ điển hình là β-Al2O3, trong đó lớp xen Na có kích thước hoàn hảo và độ dẫn điện cao. Có thể dễ dàng nhận ra các oxit kim loại chuyển tiếp nhiều lớp hơn với cách xếp chồng M+x+ khác nhau trong hệ thống dựa trên natri. Tương tự, sự đa dạng của các cấu trúc tinh thể được biết đến thuộc họ chất dẫn ion natri (NaSICON) phức tạp hơn nhiều so với các chất tương tự lithium. Quan trọng hơn, có thể cho phép độ dẫn ion cao hơn nhiều trong các hợp chất NaSICON, vượt xa độ dẫn ion trong các hợp chất dẫn ion lithium (LiSICON).
Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, các nghiên cứu có hệ thống với các dung môi phân cực không proton khác nhau đã chứng minh rằng bán kính ion lớn hơn của Na gây ra năng lượng phân hủy yếu hơn. Li nhỏ hơn có mật độ điện tích bề mặt quanh lõi cao hơn Na khi cả hai đều có cùng hóa trị. Do đó Li được ổn định về mặt nhiệt động bằng cách chia sẻ nhiều electron hơn với các phân tử dung môi phân cực. Nghĩa là, Li có thể được phân loại là một loại axit Lewis. Do đó, năng lượng khử hòa tan tương đối cao là cần thiết cho Li phân cực cao, dẫn đến điện trở chuyển tương đối lớn được gây ra bởi sự vận chuyển Li từ trạng thái lỏng (điện phân) sang trạng thái rắn (điện cực). Do năng lượng phân hủy có liên quan chặt chẽ với động học truyền xảy ra ở bề mặt phân cách chất lỏng/rắn, nên năng lượng phân hủy tương đối thấp là một lợi thế đáng kể để thiết kế SIB công suất cao.
