कमरे के तापमान वाली सोडियम-आयन बैटरियों का पुनरुद्धार
पृथ्वी की पपड़ी में प्रचुर मात्रा में सोडियम (Na) भंडार और सोडियम और लिथियम के समान भौतिक-रासायनिक गुणों के कारण, सोडियम-आधारित इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण और ग्रिड विकास के लिए महत्वपूर्ण वादा रखता है। उदाहरण के लिए, Na/NiCl2 सिस्टम और उच्च तापमान Na-S कोशिकाओं पर आधारित उच्च तापमान शून्य उत्सर्जन बैटरी अनुसंधान गतिविधि सेल, जो स्थिर और मोबाइल अनुप्रयोगों के सफल व्यावसायिक मामले हैं, पहले ही सोडियम-आधारित रिचार्जेबल बैटरी की क्षमता का प्रदर्शन कर चुके हैं। हालाँकि, उनका उच्च ऑपरेटिंग तापमान लगभग 300 डिग्री सेल्सियस सुरक्षा समस्याओं का कारण बनता है और सोडियम-आयन बैटरी (एसआईबी) की राउंड-ट्रिप दक्षता कम हो जाती है। इसलिए कमरे के तापमान (आरटी) एसआईबी को व्यापक रूप से एलआईबी के लिए सबसे आशाजनक वैकल्पिक तकनीक माना जाता है।
पिछले 200 वर्षों में बैटरियों के इतिहास में, एसआईबी पर अनुसंधान एलआईबी विकास के साथ-साथ उत्साहपूर्वक किया गया था। लिथियम के लिए TiS2 की विद्युत रासायनिक गतिविधि और ऊर्जा भंडारण के लिए इसकी व्यवहार्यता को पहली बार 1970 के दशक में सामने रखा गया था। इस खोज के बाद, 1980 के दशक की शुरुआत में Na आयनों को TiS+2 में डालने की क्षमता का एहसास हुआ। एलआईबी के लिए कम लागत और मध्यम-क्षमता वाले एनोड सामग्री के रूप में ग्रेफाइट की खोज और सोडियम आयनों को आपस में जोड़ने में विफलता के साथ, 1990 के दशक में तेजी से एलआईबी विकास हुआ, जिसने सोडियम रसायन विज्ञान में वृद्धि को पीछे छोड़ दिया। फिर, 2000 में, हार्ड कार्बन (एचसी) में सोडियम भंडारण की उपलब्धता, जो ग्रेफाइट में ली के समान ऊर्जा क्षमता प्रदान करेगी, ने एसआईबी में अनुसंधान रुचि को फिर से जीवंत कर दिया।
सोडियम-आयन बैटरी और लिथियम-आयन बैटरी की तुलना
एसआईबी का पुनरुद्धार - लिथियम भंडार की उपलब्धता की कमी और लागत में इसी वृद्धि से लगातार बढ़ते दबाव के साथ मिलकर - एलआईबी को एक पूरक रणनीति प्रदान करता है। नवीकरणीय ऊर्जा प्रौद्योगिकियों की बढ़ती पैठ को पूरा करने के अभियान में, सामग्री विज्ञान में मूलभूत उपलब्धियों के साथ, एसआईबी ने बढ़ते अनुसंधान का ध्यान आकर्षित किया है। एसआईबी के सेल घटक और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया तंत्र मूल रूप से एलआईबी के समान हैं, चार्ज वाहक को छोड़कर, जो एक में Na और दूसरे में Li है। एसआईबी सामग्री रसायन विज्ञान में तेजी से विस्तार का प्रमुख कारण दो क्षार धातुओं के बीच भौतिक रासायनिक गुणों में समानता को बताया गया है।
सबसे पहले, एसआईबी के संचालन सिद्धांत और सेल निर्माण वाणिज्यिक एलआईबी के समान हैं, हालांकि Na चार्ज वाहक के रूप में कार्य करता है। एक विशिष्ट एसआईबी में चार मुख्य घटक मौजूद होते हैं: एक कैथोड सामग्री (आमतौर पर एक Na-युक्त यौगिक); एक एनोड सामग्री (आवश्यक रूप से Na युक्त नहीं); एक इलेक्ट्रोलाइट (तरल या ठोस अवस्था में); और एक विभाजक. चार्ज प्रक्रिया के दौरान, सोडियम आयनों को कैथोड से निकाला जाता है, जो आम तौर पर स्तरित धातु ऑक्साइड और पॉलीएनियोनिक यौगिक होते हैं, और फिर एनोड में डाले जाते हैं, जबकि वर्तमान विपरीत दिशा में बाहरी सर्किट के माध्यम से यात्रा करता है। डिस्चार्ज करते समय, Na एनोड को छोड़ देता है और "रॉकिंग-चेयर सिद्धांत" नामक प्रक्रिया में कैथोड में लौट आता है। इन समानताओं ने एसआईबी प्रौद्योगिकी की प्रारंभिक समझ और तेजी से विकास को सक्षम बनाया है।
इसके अलावा, Na की बड़ी आयनिक त्रिज्या अपने फायदे लाती है: विद्युत रासायनिक सकारात्मकता का लचीलापन बढ़ जाता है और ध्रुवीय सॉल्वैंट्स में डी-सॉल्वेशन ऊर्जा कम हो जाती है। ली और संक्रमण धातु आयनों के बीच आयनिक त्रिज्या में अधिक अंतर आमतौर पर सामग्री डिजाइन के लचीलेपन की विफलता का कारण बनता है। इसके विपरीत, सोडियम-आधारित प्रणाली लिथियम-आधारित प्रणाली की तुलना में अधिक लचीली ठोस संरचनाओं को सक्षम बनाती है, और इसमें अत्यधिक आयनिक चालकता होती है। एक विशिष्ट उदाहरण β-Al2O3 है, जिसके लिए Na इंटरकलेशन का आकार सही है और उच्च चालकता है। विभिन्न एम+एक्स+ स्टैकिंग तरीकों के साथ अधिक स्तरित संक्रमण धातु ऑक्साइड को सोडियम-आधारित प्रणाली में आसानी से महसूस किया जा सकता है। इसी प्रकार, सोडियम आयनिक कंडक्टर (NaSICON) परिवार के लिए ज्ञात क्रिस्टल संरचनाओं की विस्तृत विविधता लिथियम एनालॉग्स की तुलना में बहुत अधिक जटिल है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि NaSICON यौगिकों में बहुत अधिक आयनिक चालकता की अनुमति दी जा सकती है, जो लिथियम आयनिक कंडक्टर (LiSICON) यौगिकों में आयनिक चालकता से कहीं अधिक है।
अंतिम लेकिन महत्वपूर्ण, विभिन्न एप्रोटिक ध्रुवीय सॉल्वैंट्स के साथ व्यवस्थित जांच से पता चला है कि Na का बड़ा आयनिक त्रिज्या कमजोर विघटन ऊर्जा का कारण बनता है। जब दोनों की संयोजकता समान होती है तो छोटे Li में Na की तुलना में कोर के चारों ओर सतह आवेश घनत्व अधिक होता है। इसलिए ध्रुवीय विलायक अणुओं के साथ अधिक इलेक्ट्रॉन साझा करके ली को थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर किया जाता है। यानी ली को एक प्रकार के लुईस एसिड के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। परिणामस्वरूप, अत्यधिक ध्रुवीकृत ली के लिए अपेक्षाकृत उच्च विघटन ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिससे तरल अवस्था (इलेक्ट्रोलाइट) से ठोस अवस्था (इलेक्ट्रोड) तक ली के परिवहन से अपेक्षाकृत बड़ा स्थानांतरण प्रतिरोध प्रेरित होता है। चूँकि विलवणीकरण ऊर्जा तरल/ठोस इंटरफ़ेस पर होने वाले स्थानांतरण कैनेटीक्स से निकटता से संबंधित है, अपेक्षाकृत कम विलेयता ऊर्जा उच्च-शक्ति एसआईबी को डिजाइन करने के लिए एक महत्वपूर्ण लाभ है।
