א. סקירה כללית של סוללות נתרן-יון
סוללות נתרן-יון הן סוג של סוללה שמשלימה טעינה ופריקה על ידי הסתמכות על תנועת יוני נתרן בין האלקטרודות החיוביות והשליליות, עם עקרון פעולה דומה לזה של סוללות ליתיום-יון. סוללת נתרן-יון מורכבת בעיקר מאלקטרודה חיובית, אלקטרודה שלילית,א אלקטרוליט, אמפריד, ואספן זרם. במהלך הטעינה, נתרן מופק מהאלקטרודה החיובית, עובר דרך המפריד, ונכנס לאלקטרודה השלילית כדי להתחבר עם אלקטרונים. במהלך הפריקה, נתרן מופק מהאלקטרודה השלילית, עובר דרך המפריד, ונכנס לאלקטרודה החיובית, בעוד שאלקטרונים מועברים מהאלקטרודה השלילית לאלקטרודה החיובית דרך מעגל חיצוני. לבסוף, מתרחשת תגובת חמצון-חיזור באלקטרודה החיובית כדי לשחזר את המצב העשיר בנתרן.
תרשים סכמטי של טעינה ופריקה של סוללות נתרן-יון
ב'. שלושה מסלולים טכניים
בהשוואה לסוללות ליתיום-יון, השינוי המשמעותי ביותר בסוללות נתרן-יון טמון בחומרי הקתודה, שביצועיהם מהווים גם גורם מפתח הקובע את צפיפות האנרגיה, הבטיחות ומחזור החיים של הסוללה. ליוני נתרן יש מסה ורדיוס גדולים יותר מאשר ליוני ליתיום, וכתוצאה מכך קצב דיפוזיה יונית נמוך יותר. הדבר בא לידי ביטוי בקיבולת תיאורטית וקינטיקה של תגובה נמוכים מעט בביצועי הסוללה, הדורשות פריצות דרך בחומרי הקתודה כדי לטפל בבעיות אלו. נכון לעכשיו, המסלול הטכני לחומרי הקתודה טרם נקבע, אך תחמוצות מרובדות, כחול פרוסי אנלוגים, ו תרכובות פוליאוניון הןשלושה מסלולים מבטיחים שצפויים לבלוט.
אֲנִיב'תחמוצות שכבות
הנוסחה הכללית לתחמוצות שכבתיות היא NaxMO2, כאשר M מתייחס ליסודות מתכת מעבר, כגון ונדיום (V), כרום (קר), מנגן (מינסוטה), ברזל (פה), קובלט (מְשׁוּתָף), ניקל (ני), נחושת (קו) וכו'. ביניהם, מנגן (מינסוטה) וברזל (פה), אשר מקורותיהם שופעים, הם הנפוצים ביותר. ניתן לסווג תחמוצות מתכת מעבר לשני סוגים: שכבתיות ותחמוצות מנהרה. כאשר תכולת הנתרן נמוכה (x<0.5), מבנה המנהרה נוכח בעיקר. כאשר תכולת הנתרן גבוהה יחסית, הוא נשלט בדרך כלל על ידי מבנה שכבתי, כאשר Na+ ממוקם בין השכבות, ויוצר מבנה שכבתי שבו שכבות MO2 ושכבות נתרן מסודרות לסירוגין.
אנלוגים של כחול פרוסי ד'.
הנוסחה הכללית לאנלוגים של כחול פרוסי היא נקסמא[מגה-בייט(CN)6]·zH2O. אִמָא ו-מגה-בייט מייצגים יסודות של מתכות מעבר, בעיקר ברזל (פה), קובלט (מְשׁוּתָף), ניקל (ני), מנגן (מינסוטה) וכו'. בשל המסגרת הפתוחה הייחודית והמבנה המקרופורי התלת-ממדי של תרכובות כחול פרוסי, הן מתאימות לנדידה ואחסון של יוני נתרן. מבחינת יתרונות, תרכובות מבוססות ברזלכחול פרוסי וכחול פרוסי מבוסס מנגן בעלי יתרונות של חומרי גלם רבים, עלות נמוכה, קיבולת ספציפית גבוהה, ביצועים בקצב גבוה ויציבות אלקטרוכימית מעולה. מבחינת חסרונות, מכיוון ששיטות הייצור הנוכחיות מאמצות בעיקר את שיטת השקיעה המשותפת, נוצרים לעיתים קרובות פגמים מבניים רבים במים גבישיים וב-פה(CN)6. המים הגבישיים נוטים לתפוס את אתרי אחסון הנתרן ותעלות דה-אינטרקלציה של יוני נתרן בגביש, וכתוצאה מכך לירידה בתכולת יוני הנתרן בחומר ולירידה בקצב נדידת יוני הנתרן. פגמים מבניים ומים גבישיים של פה(CN)6 יכולים לגרום לקריסה מבנית במהלך תהליך הטעינה והפריקה של החומר, דבר המשפיע על ביצועי המחזור של החומר.
תהליכי הייצור של תרכובות כחולות פרוסיות כוללים בעיקר שקיעה משותפת וסינתזה הידרותרמית. ביניהן, שקיעה משותפת היא השיטה הנפוצה ביותר, אשר לה יתרונות של תהליך הכנה פשוט, חוסר צורך בטיפול בטמפרטורה גבוהה ורכישה קלה של תוצרי פאזה טהורה. עם זאת, כיום, לשיטת השקיעה המשותפת עדיין יש שתי בעיות. האחת היא זמן ההכנה הארוך; השנייה היא התפוקה הנמוכה. לשיטת הסינתזה ההידרותרמית יש קווי דמיון רבים עם שיטת השקיעה המשותפת. יש לה יתרונות של זמן תגובה קצר ופיזור אחיד של חלקיקי החומר. עם זאת, כיום, לשיטת הסינתזה ההידרותרמית שלושה חסרונות. ראשית, תהליך התגובה מתרחש במערכת סגורה, ולא ניתן לצפות בתהליך התגובה ישירות. שנית, ישנם שלבים בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה, אשר דורשים דרישות גבוהות מציוד הייצור. שלישית, התהליך מסורבל ואינו מתאים לייצור תעשייתי.
V. תרכובות פוליאוניוניות
הנוסחה הכללית של תרכובות פוליאוניות היא נקסמי[(XOm)n-]z, כאשר M הוא יון מתכת בעל מצב ערכיות משתנה ו-X הוא יסודות כגון P, S ו-V. יש לו יתרונות של יציבות טובה, ביצועי מחזוריות ובטיחות, אך ישנן בעיות של קיבולת ספציפית נמוכה ומוליכות ירודה. בהתאם למבנים השונים שלהם, ניתן לסווג אותם לפוספטים בעלי מבנה אוליבין, נאסקיון (מוליך יונים מהיר של נא+) ותרכובות פוספט.
שיטת ההכנה של NaFePO4 בעל מבנה אוליבין כחומר קתודה לסוללות נתרן-יון דומה לזו של ליתיום ברזל פוספט. הקיבולת התיאורטית שלו היא 154mAh/g ומתח העבודה הוא 2.9V. עם זאת, המוליכות החשמלית שלו נמוכה יחסית ויש לו רק ערוצי דיפוזיה חד-ממדיים של נא+, דבר המשפיע על ביצועיו בפועל. כיום, המוליכות החשמלית משתפרת באמצעות ציפוי פחמן או החלפת יונים. תרכובות בעלות מבנה נסקייקון הן מוליכות יוניות מהירות בעלות קיבולת ספציפית תיאורטית של כ-120mAh/g ומתח פעולה של כ-3.3V. הן כוללות מבנה מסגרת תלת-ממדי, קצב דיפוזיה גבוה של יונים ויציבות קינטית ומחזורית טובה. עם זאת, כאשר מכניסים את V המחומשת, הוא לרוב רעיל ומהווה איום גדול על בריאות האדם, מה שמגביל במידה מסוימת את השימוש בו בקנה מידה גדול.
מבני גביש של חומרי קתודה פוליאוניים שונים
