סוללת יון-סודיום

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

סוללת יון-סודיום (באנגלית: Sodium-ion battery) או NIB היא סוללה נטענת אנלוגית לסוללת ליתיום אך משתמשת ביוני נתרן (+Na) כנושאי המטען החשמלי. עקרון העבודה האלקטרוכימי שלה ובניית התאים כמעט זהים לאלה של סוגי סוללות על בסיס ליתיום הנפוצות מסחרית, אך תרכובות נתרן משמשות במקום תרכובות ליתיום.

סוללות יון-סודיום קיבלו עניין אקדמי ומסחרי רב בשנות 2010–2020 כטכנולוגיה משלימה אפשרית לסוללות יון-ליתיום, בעיקר בשל ההתפלגות הגאוגרפית הלא אחידה, ההשפעה הסביבתית הגבוהה והעלות הגבוהה של רבים מהאלמנטים הנדרשים לסוללות יון-ליתיום. המובילים שבהם הם ליתיום, קובלט, נחושת וניקל, שאינם נדרשים לסוגים רבים של סוללות יון-נתרן.[1] היתרון הגדול ביותר של סוללות יון-נתרן הוא השפע הטבעי הגבוה של נתרן. זה יכול לייצר ייצור מסחרי של סוללות יון-נתרן פחות מאשר סוללות ליתיום-יון.[2]

נכון לשנת 2020, לסוללות יון-נתרן יש נתח קטן מאוד משוק הסוללות. הטכנולוגיה אינה מוזכרת בדו"ח מינהל המידע לאנרגיה של ארצות הברית על טכנולוגיות אגירה של סוללות.[3] אין כלי רכב חשמליים שמשתמשים בסוללות יון נתרן. האתגרים לאימוץ כוללים צפיפות אנרגיה נמוכה ומספר מצומצם של מחזורי פריקת מטען. [4]

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

פיתוח סוללת יון-הנתרן התקיים זה לצד זה של סוללת הליתיום-יון בשנות השבעים ותחילת שנות השמונים. עם זאת, בשנות התשעים התברר שלסוללות יון-ליתיום יש הבטחות מסחריות רבות יותר, מה שגרם להתעניינות בסוללות יון-נתרן.[5][6] בתחילת שנות ה-2010, סוללות יון-נתרן חוו התעוררות מחודשת, המונעות בעיקר מהביקוש והמחיר של חומרי גלם יון-ליתיום.[5]

עקרון הפעולה[עריכת קוד מקור | עריכה]

נתרן-יון תאי סוללה מורכב קתודה המבוססת על חומר המכיל נתרן, אנודה (לא בהכרח חומר מבוסס-נתרן) ונוזל אלקטרוליטי המכיל מלחי נתרן בתמיסה פרוטית קוטבית או תמיסה אפרוטית. במהלך הטעינה, יוני נתרן מופקים מהקתודה ומוכנסים לאנודה בזמן שהאלקטרונים נוסעים במעגל החיצוני; במהלך פריקה מתרחש התהליך ההפוך כאשר יוני הנתרן מופקים מהאנודה ומוכנסים שוב לקתודה כשהאלקטרונים נוסעים במעגל החיצוני.

חומרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מכיוון שהתכונות הפיזיות והאלקטרוכימיות של הנתרן שונות מאלו של ליתיום, החומרים המשמשים בדרך כלל לסוללות יון-ליתיום, או אפילו האנלוגים המכילים נתרן, לא תמיד מתאימים לסוללות נתרן-יון. [7]

אנודות[עריכת קוד מקור | עריכה]

האנודה הדומיננטית המשמשת בסוללות יון-ליתיום מסחריות, גרפיט, אינה ניתנת לשימוש בסוללות יון-נתרן מכיוון שאינה יכולה לאחסן את יון הנתרן הגדול יותר בכמויות ניכרות. במקום זאת, חומר פחמן לא מסודר המורכב ממבנה פחמן לא גרפיטי, לא גבישי ואמורפי (המכונה "פחמן קשה") הוא האנודה המועדפת כיום על יון-נתרן. אחסון הנתרן של פחמן קשה התגלה בשנת 2000.[8] הוכח שאנודה זו מספקת 300 mAh/g עם פרופיל פוטנציאלי משופע מעל 0.15V vs +Na/Na המהווה בערך חצי מהקיבולת ופרופיל פוטנציאלי שטוח (רמה פוטנציאלית) מתחת ⁓0.15V +vs Na/Na. ביצועי אחסון כאלה דומים לאלה שניתן לראות באחסון ליתיום באנודת גרפיט עבור סוללות ליתיום-יון שבהן קיבולת אופיינית של 300–360 mAh/g. תא היון-נתרן הראשון באמצעות פחמן קשה הוכח בשנת 2003 שהראה מתח ממוצע גבוה של 3.7 V במהלך פריקה.[9]

בעוד שפחמן קשה הוא ללא ספק האנודה המועדפת ביותר בשל השילוב המצוין שלו של קיבולת גבוהה, פוטנציאל עבודה נמוך יותר ויציבות רכיבה טובה, היו עוד כמה התפתחויות בולטות באנודות בעלות ביצועים נמוכים יותר. התגלה כי גרפיט יכול לאחסן נתרן באמצעות אינטראקציה משותפת של ממסים באלקטרוליטים מבוססי אתר בשנת 2015: מתקבלים קיבולת נמוכה בסביבות 100 mAh/g כאשר פוטנציאל העבודה גבוה יחסית בין +0-1.2V vs Na/Na.[10] כמה שלבי חומצב טיטנית כגון Na2Ti3O7,[11][12][13] או NaTiO2,[14] יכולים לספק קיבולות בסביבות 90–180 mAh/g בפוטנציאל עבודה נמוך (< +1V vs Na/ Na), אם כי יציבות המחזור מוגבלת כיום לכמה מאות מחזורים. היו דיווחים רבים על חומרי אנודה המאחסנים נתרן באמצעות מנגנון תגובת סגסוגת ו/או מנגנון תגובת המרה,[5] עם זאת, מאמץ העומס החמור שחווה החומר במהלך מחזורי אחסון חוזרים ונשנים מגביל מאוד את יציבותם במחזור, במיוחד בתאים בפורמט גדול, ומהווה אתגר טכני מרכזי שצריך להתגבר עליו על ידי גישה חסכונית. חוקרים מאוניברסיטת טוקיו השיגו 478 mAh/g עם חלקיקי מגנזיום בגודל ננו כפי שפורסם בדצמבר 2020.[15]

קתודות[עריכת קוד מקור | עריכה]

התקדמות משמעותית הושגה בתכנון קתודות של יון-נתרן בצפיפות אנרגיה גבוהה מאז 2011. בדומה לכל הקתודות של יון-ליתיום, גם קתודות יון-נתרן מאחסנות נתרן באמצעות מנגנון תגובת אינטראסלציה. בשל הצפיפות (Bulk density) הגבוהה שלהם, פוטנציאל ההפעלה הגבוה והקיבולת הגבוהה, קתודות המבוססות על תחמוצות מתכת למעבר נתרן זכו לתשומת לב גדולה. מתוך רצון לשמור על עלויות נמוכות, מחקר משמעותי נועד להימנע או להפחית אלמנטים יקרים כגון Co, Cr, Ni או V בתחמוצות. הוכח כי תחמוצת Na2/3Fe1/2Mn1/2O2 מסוג P2-type ממשאבי Fe ו- Mn השופעים של כדור הארץ מאחסנות 190 mAh/g במתח פריקה ממוצע של +2.75V vs Na/Na תוך ניצול חמצון-חיזור 4+/3+Fe חיזור בשנת 2012, צפיפות אנרגיה כזו הייתה שווה או טובה יותר מאשר קתודות ליתיום מסחריות כגון LiFePO4 או LiMn2O4.[16] עם זאת, טבעו חסר הנתרן פירושו התפשרות בצפיפות האנרגיה בתאים מלאים מעשיים. כדי להתגבר על מחסור בנתרן הטמון בתחמוצות P2, הושקעו מאמצים משמעותיים בפיתוח תחמוצות עשירות יותר ב-Na. הוכח כי תערובת מסוג P3/P2/O3 של Na0.76Mn0.5Ni 0.3Fe0.1Mg0.1O2 מספק 140 mAh/g במתח פריקה ממוצע של +3.2V vs Na/Na בשנת 2015.[17] בפרט, תחמוצת NaNi1/4Na1/6Mn2/12Ti4/12Sn1/12O2 מסוג O3 יכולה לספק 160 mAh/g במתח ממוצע של 3.22V vs +Na/Na,[18] בעוד סדרה של תחמוצות מבוססות Ni מסוממות של הסטוכיומטריה NaaNi(1-x-y-z)MnxMgyTizO2 יכולות לספק 157 mAh/g ב"תא מלא" יון-נתרן עם האנודה של פחמן קשה (לעומת למינוח "חצי תא" המשמש כאשר האנודה היא מתכת נתרנית) במתח פריקה ממוצע של 3.2 V תוך ניצול 2+/4+NI[19]. ביצועים כאלה בתצורת תאים מלאה טובים יותר או משתווים למערכות יון-ליתיום מסחריות כיום.

מסחריות[עריכת קוד מקור | עריכה]

CATL : יצרנית סינית גדולה זו של סוללות יון-ליתיום הודיעה בשנת 2021 כי תביא סוללה מבוססת יון נתרן לשוק עד שנת 2023. טכנולוגיית "הדור הראשון" משתמשת בכחול פרוסי לאלקטרודה החיובית ופחמן נקבובי לאלקטרודה השלילית. הם טוענים לצפיפות אנרגיה ספציפית של 160 Wh/kg בסוללת הדור הראשון שלהם, ומצפים שדור מאוחר יותר יגיע ליותר מ -200 Wh/kg.[20]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Peters, Jens F.; Peña Cruz, Alexandra; Weil, Marcel (2019). "Exploring the Economic Potential of Sodium-Ion Batteries". Batteries (באנגלית). 5 (1): 10. doi:10.3390/batteries5010010free{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link)
  2. ^ Abraham, K. M. (2020). "How Comparable Are Sodium-Ion Batteries to Lithium-Ion Counterparts?". ACS Energy Letters. 5 (11): 3544–3547. doi:10.1021/acsenergylett.0c02181free{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link)
  3. ^ U.S. Department of Energy. "Battery Storage in the United States: An Update on Market Trends" (PDF). U.S. Energy Information Administration. p. 13. נבדק ב-13 במרץ 2021. {{cite web}}: (עזרה)
  4. ^ Marc Walter; Maksym V. Kovalenko; Kostiantyn V. Kravchyk (2020). "Challenges and benefits of post-lithium-ion batteries". New Journal of Chemistry. 44 (5): 1678. doi:10.1039/C9NJ05682Cfree{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link)
  5. ^ 1 2 3 Sun, Yang-Kook; Myung, Seung-Taek; Hwang, Jang-Yeon (2017-06-19). "Sodium-ion batteries: present and future". Chemical Society Reviews. 46 (12): 3529–3614. doi:10.1039/C6CS00776G. ISSN 1460-4744. PMID 28349134free{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link)
  6. ^ Yabuuchi, Naoaki; Kubota, Kei; Dahbi, Mouad; Komaba, Shinichi (2014-12-10). "Research Development on Sodium-Ion Batteries". Chemical Reviews. 114 (23): 11636–11682. doi:10.1021/cr500192f. ISSN 0009-2665. PMID 25390643.
  7. ^ Nayak, Prasant Kumar; Yang, Liangtao; Brehm, Wolfgang; Adelhelm, Philipp (2018). "From Lithium-Ion to Sodium-Ion Batteries: Advantages, Challenges, and Surprises". Angewandte Chemie International Edition (באנגלית). 57 (1): 102–120. doi:10.1002/anie.201703772. ISSN 1521-3773. PMID 28627780.
  8. ^ Dahn, J. R.; Stevens, D. A. (2000-04-01). "High Capacity Anode Materials for Rechargeable Sodium‐Ion Batteries". Journal of the Electrochemical Society. 147 (4): 1271–1273. Bibcode:2000JElS..147.1271S. doi:10.1149/1.1393348. ISSN 0013-4651.
  9. ^ Barker, J.; Saidi, M. Y.; Swoyer, J. L. (2003-01-01). "A Sodium-Ion Cell Based on the Fluorophosphate Compound NaVPO4 F". Electrochemical and Solid-State Letters. 6 (1): A1–A4. doi:10.1149/1.1523691. ISSN 1099-0062.
  10. ^ Jache, Birte; Adelhelm, Philipp (2014). "Use of Graphite as a Highly Reversible Electrode with Superior Cycle Life for Sodium-Ion Batteries by Making Use of Co-Intercalation Phenomena". Angewandte Chemie International Edition. 53 (38): 10169–10173. doi:10.1002/anie.201403734. ISSN 1521-3773. PMID 25056756.
  11. ^ Senguttuvan, Premkumar; Rousse, Gwenaëlle; Seznec, Vincent; Tarascon, Jean-Marie; Palacín, M.Rosa (2011-09-27). "Na2Ti3O7: Lowest Voltage Ever Reported Oxide Insertion Electrode for Sodium Ion Batteries". Chemistry of Materials. 23 (18): 4109–4111. doi:10.1021/cm202076g. ISSN 0897-4756.
  12. ^ Rudola, Ashish; Saravanan, Kuppan; Mason, Chad W.; Balaya, Palani (2013-01-23). "Na2Ti3O7: an intercalation based anode for sodium-ion battery applications". Journal of Materials Chemistry A. 1 (7): 2653–2662. doi:10.1039/C2TA01057G. ISSN 2050-7496.
  13. ^ Rudola, Ashish; Sharma, Neeraj; Balaya, Palani (2015-12-01). "Introducing a 0.2V sodium-ion battery anode: The Na2Ti3O7 to Na3−xTi3O7 pathway". Electrochemistry Communications. 61: 10–13. doi:10.1016/j.elecom.2015.09.016. ISSN 1388-2481.
  14. ^ Ceder, Gerbrand; Liu, Lei; Twu, Nancy; Xu, Bo; Li, Xin; Wu, Di (2014-12-18). "NaTiO2: a layered anode material for sodium-ion batteries". Energy & Environmental Science. 8 (1): 195–202. doi:10.1039/C4EE03045A. ISSN 1754-5706.
  15. ^ Kamiyama, Azusa; Kubota, Kei; Igarashi, Daisuke; Youn, Yong; Tateyama, Yoshitaka; Ando, Hideka; Gotoh, Kazuma; Komaba, Shinichi (בדצמבר 2020). "MgO‐Template Synthesis of Extremely High Capacity Hard Carbon for Na‐Ion Battery". Angewandte Chemie International Edition. 60 (10): 5114–5120. doi:10.1002/anie.202013951. PMC 7986697. PMID 33300173free {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: postscript (link)
  16. ^ Komaba, Shinichi; Yamada, Yasuhiro; Usui, Ryo; Okuyama, Ryoichi; Hitomi, Shuji; Nishikawa, Heisuke; Iwatate, Junichi; Kajiyama, Masataka; Yabuuchi, Naoaki (ביוני 2012). "P2-type Nax[Fe1/2Mn1/2]O2 made from earth-abundant elements for rechargeable Na batteries". Nature Materials. 11 (6): 512–517. Bibcode:2012NatMa..11..512Y. doi:10.1038/nmat3309. ISSN 1476-4660. PMID 22543301. {{cite journal}}: (עזרה)
  17. ^ Keller, Marlou; Buchholz, Daniel; Passerini, Stefano (2016). "Layered Na-Ion Cathodes with Outstanding Performance Resulting from the Synergetic Effect of Mixed P- and O-Type Phases". Advanced Energy Materials. 6 (3): 1501555. doi:10.1002/aenm.201501555. ISSN 1614-6840. PMC 4845635. PMID 27134617.
  18. ^ Kendrick, E.; Gruar, R.; Nishijima, M.; Mizuhata, H.; Otani, T.; Asako, I.; Kamimura, Y. “Tin-Containing Compounds”. United States Patent No. US 10,263,254. Issued April 16, 2019; Filed by Faradion Limited and Sharp Kabushiki Kaisha on May 22, 2014.
  19. ^ Bauer, Alexander; Song, Jie; Vail, Sean; Pan, Wei; Barker, Jerry; Lu, Yuhao (2018). "The Scale-up and Commercialization of Nonaqueous Na-Ion Battery Technologies". Advanced Energy Materials. 8 (17): 1702869. doi:10.1002/aenm.201702869. ISSN 1614-6840free{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link)
  20. ^ "CATL Unveils Its Latest Breakthrough Technology by Releasing Its First Generation of Sodium-ion Batteries". www.catl.com. נבדק ב-2021-07-29.