Akumulator sodowo-jonowy – rodzaj akumulatora elektrycznego, w którym jako nośniki ładunku wykorzystywane są jony sodu (Na+). W roku 2009 był on w fazie prac eksperymentalnych. Ponieważ sód jest pierwiastkiem dużo powszechniejszym w naturze niż lit, z którego obecnie wytwarza się akumulatory o najlepszych parametrach, ogniwa sodowo-jonowe mogą się okazać rozwiązaniem bardziej opłacalnym niż obecnie stosowane. W przeciwieństwie do akumulatora sodowo-siarkowego, akumulatory sodowo-jonowe można stosować w przenośnej elektronice. Mogą również być używane w temperaturze pokojowej (ok. 25 °C).
Magazynowanie energii Tak jak inne akumulatory, baterie sodowo-jonowe magazynują energię w wiązaniach chemicznych anody. Podczas ładowania jony Na+ migrują w kierunku anody. Jednocześnie elektrony równoważące ładunek przechodzą z katody do anody zewnętrznym obwodem elektrycznym. W czasie rozładowania zachodzi proces odwrotny – następuje przepływ elektronów z powrotem z anody do katody, a jony Na+ przenikają z powrotem do katody.
Dotychczas odnotowano napięcie ogniw sodowo-jonowych wynoszące 3,6 V. Jednocześnie akumulatory te wykazały zdolność do utrzymania 115 mAh/g podczas 50 cykli ładowania i rozładowania, co oznacza pojemność równą około 400 Wh/kg. Mimo to, w obecnej fazie rozwoju ogniwa sodowo-jonowe nie utrzymują dużego ładunku po wielokrotnym ładowaniu i rozładowaniu. Po 50 cyklach większość akumulatorów sodowo-jonowych zachowuje jedynie 50% pierwotnej pojemności.
Anoda Po zastosowaniu NaxC6 jako anody, średnie napięcie na plateau niskiego potencjału było wyższe dla ogniw sodowo-jonowych w porównaniu z ogniwami litowo-jonowymi. Materiały węglowe mogą być otrzymywane z węglowodanów.
Anody z włókien drewnianych pokrytych cyną mogą zastąpić dotychczas stosowane sztywne materiały anodowe, które są zbyt kruche by wytrzymać cykliczne kurczenie się i rozszerzanie materiału na skutek interkalacji i deinterkalacji jonów sodu do struktury krystalicznej związku. Włókna drewniane są wystarczająco elastyczne by wytrzymać nawet ponad 400 cykli ładowania i rozładowania – po przeprowadzeniu setek cykli, struktura drewna pozostała nieuszkodzona. Modele komputerowe pokazują, że powstające na powierzchni drewna nierówności równoważą naprężenia, jakim poddawana jest bateria w czasie ładowania i rozładowania, co zwiększa odporność materiału na cykliczną pracę baterii i pozwala mu wytrzymać nawet setki cykli. Jony sodu przemieszczają się poprzez ścianki włókna drewna i poprzez dyfuzję na powierzchni cyny.
Opracowany został też rodzaj papieru kompozytowego, który może być wykorzystywany jako anoda w akumulatorach sodowo-jonowych.
Katoda W katodach ogniw sodowo-jonowych wykorzystuje się mieszane fosforany i ich pochodne. Na2FePO4F Testy Na2FePO4F i Li2FePO4F jako materiałów katodowych wykazały, że związek zawierający sód z łatwością zastępuje ten mający w składzie lit w ogniwie typu Li-ion. Połączenie technologii Na-ion i Li-ion mogłoby skutkować obniżeniem całkowitej ceny akumulatora.
Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 Materiał elektrodowy Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 typu P2 osiąga odwracalną pojemność rzędu 190 mAh/g w ogniwie sodowo-jonowym, wykorzystując reakcję redoks Fe3+/Fe4+ w temperaturze pokojowej.
Na2FeP2O7 Innym związkiem badanym jako potencjalny materiał katodowy jest Na2FeP2O7 mający strukturę szklistą. Ogniwa z jego użyciem miały napięcie 2,9 V i pojemność 88 mAh/g.
NaV1−xCrxPO4F Proponowane są też katody zawierające chrom i wanad, dla których zachodzi następująca reakcja: NaF + (1−x)VPO4 + xCrPO4 → NaV1−xCrxPO4F Powyższe materiały katodowe zachowują więcej pojemności podczas cyklicznego ładownia i rozładowania. Efekty domieszkowania materiału katodowego za pomocą chromu zostały przeanalizowane pod względem wpływu na strukturę krystaliczną oraz krzywe ładowania i rozładowania. Badania te wykazały, że materiał domieszkowany Cr wykazuje większą stabilność cykli baterii. Początkowa odwracalna pojemność wynosiła 83,3 mAh/g, a sprawność pierwszego cyklu ładowania-rozładowania 90,3%. Retencja odwracalnej pojemności materiału osiągnęła ok. 91,5% po 20 cyklach ładowania i rozładowania.
Materiały katodowe Pojemność pierwszego ładowania [mAh/g] Pojemność pierwszego rozładowania [mAh/g] Strata pojemności w czasie pierwszego cyklu [mAh/g] Odwracalna sprawność w pierwszym cyklu [%] Pojemność rozładowania w 20 cyklu [mAh/g] Stosunek retencji pojemności po 20 cyklu [%] NaV0,92Cr0,08PO4F 83,3 75,2 8,1 90,3 68,8 91,4NaV0,96Cr0,04PO4F 93,3 82,6 10,7 88,5 67,9 82,2NaVPO4F 106,9 87,7 19,2 82,0 64,5 73,5
Przypisy
Kategoria:Akumulatory Kategoria:Sód