Naatriumioonaku

Naatriumioonaku ehk Na-ioonaku on aku, mis kasutab laengukandjatena naatriumi ioone. Tööpõhimõtte poolest sarnaneb naatriumioonaku liitiumioonakuga.

Naatriumioonaku salvestab energiat keemiliste sidemetena anoodil. Aku laadimine sunnib Na+ ioonid liikuma katoodilt anoodile. Laengut tasakaalustavad elektronid liiguvad katoodilt läbi välise vooluringi, mis sisaldab laadijat, anoodile. Tühjendamisel (tühjaks laadimisel) toimub protsess vastupidi ehk vooluringi sulgemisel elektronid liiguvad läbi elektriahela anoodilt katoodile ning samuti Na+ ioonid liiguvad tagasi anoodilt katoodile.

Ehitus

Anood 
Erinevalt liitiumioonakust ei sobi naatriumioonaku anoodi materjaliks grafiit. See tuleneb sellest, et Na+ ioon on oluliselt suurem kui Li+ ioon, mistõttu Na+ ei ole võimeline minema grafiidikihtide vahele. Selle asemel on kasutatud amorfseid mittegrafiitseid süsinikmaterjale. 2017. aasta seisuga on kõige paljutõotavam süsinikmaterjal hard carbon, milles paiknevad korrapäratult grafeenikihid. Seda süsinikmaterjali saab toota süsivesinike ja polümeeride pürolüüsil temperatuuril kuni 1500 °C. Sellega saavutatakse struktuur, kus enamik süsinikuaatomitest on seatud kuusnurkselt tasapinnale. Alternatiivina on võimalik kasutada paisutatud grafiiti. Grafiiti oksüdeerides ja osaliselt redutseerides suureneb grafiidikihtide vahe 4,3 ongströmini (4,3∙10−10 m), kusjuures säilib grafiidile omane ulatuslik korrapärane kihiline struktuur. Galvanostaatilised uuringud on näidanud, et paisutatud grafiit annab suure erimahutavuse 284 mAh/g voolutihedusel 20 mA/g (mahutavus 184 mAh/g voolutihedusel 100 mA/g), kusjuures pärast 2000 laadimistsüklit on mahutavus veel 73,92% esialgsest.

Elektroodimaterjal peab olema vastupidav ja võimaldama suurt erimahutavust, kuid korraga on neid eesmärke ühefaasilises materjalis keeruline saavutada. Lahendusena on pakutud erinevate nanostruktuuride ja komposiitmaterjalide kombinatsioone. Kasutada on võimalik metallide oksiide, metallide sulfiide, IVA-VA-VIA rühmade elemente, et luua komposiite süsinikuga.

Katood 
Potentsiaalse katoodimaterjalina on demonstreeritud kihilist kombinatsiooni Na0,5Ni0,25Mn0,75O2. Sellel materjalil on kihiline kuusnurkne struktuur. Materjal on näidanud suurepärast jõudlust tugeva tühjenemisvoolu ja mahutavuse hea säilitamise juures.

Ühe variandina on demonstreeritud katoodimaterjali Na7V3(P2O7)4, mille keskmine potentsiaal Na/Na+ suhtes on 4 V, seega üks kõrgemaid keemiliste vooluallikate seas. Pärast 100 laadimistsüklit suudab see materjal säilitada 92% mahutavusest.

Elektrolüüt 
Elektrolüüdina kasutatakse peamiselt 1 M kontsentratsiooniga NaPF6, NaClO4 ja NaTFSI soolasid orgaanilistes solventides. Solvendi puhul on olulised sulamis- ja keemistemperatuurid, et akul oleks võimalik töötada laias temperatuurivahemikus. Teine oluline parameeter on solvendi juhtivus. Näiteks ei ole elektrolüüdis võimalik kasutada dielektrikust solventi.

Peamised solvendid, milles NaPF6, NaClO4 ja NaTFSI lahustuvad ja mida on palju uuritud, on etüleenkarbonaat, propüleenkarbonaat, dimetüülkarbonaat, dietüülkarbonaat, dimetoksüetaan, tetrahüdrofuraan ja trietüleenglükooldimetiileeter. Neid saab kasutada kas ainsa solvendina või neid segudes omavahel kombineerides.

Tahke elektrolüüdi vahefaas 
Tahke elektrolüüdi vahefaas (lühend SEI, solid electrolyte interphase) moodustub kihina anoodi pinnale tulenevalt elektrolüüdi pöördumatust lagunemisreaktsioonist. Selle mõju süsteemile võib olla nii positiivne kui negatiivne. Soovitud on see, et anoodi pinnale tekiks stabiilne SEI-kiht, mis laseb läbi väikseid Na+ ioone, kuid ei lase läbi suuremaid molekule; see aitab ära hoida solvateeritud Na+ ioonide sattumise anoodikihtide vahele, kus nad lõhuksid selle struktuuri ning tõenäoliselt jääksid sinna ka pöördumatult. Halvem variant on see, et esimese tsükli jooksul ei moodustu stabiilne SEI kiht, vaid elektrolüüti laguneb sinna iga tsükliga. Selle tulemusel halveneb oluliselt aku eluiga.

Eelised ja puudused

Eelised 
Erinevalt liitiumist on naatrium looduses rohkem levinud. Maakoores on naatriumi ümmarguselt 1000 korda rohkem kui liitiumi ning globaalne jaotus on samuti palju ühtlasem. See annab naatriumioonakule suure hinnaeelise liitiumioonaku ees, eriti energia salvestamiseks elektrivõrgus, kus aku mõõtmed ja mass pole olulised.

Need akud võib tühjaks laadida ilma, et see kahjustaks aku aktiivmaterjale. See võimaldab neid ohutult tarnida ja hoiustada tühjendatud olekus, samal ajal kui liitiumioonakudes peab säilima vähemalt 30% laeng; see aga on piisav tarnimise ajal lühise tekkimiseks ja tulekahju põhjustamiseks. See on üks põhjuseid, mis suure hulga liitiumioonakude tarne lennukitega pole lubatud.

Puudused 
Naatriumioonaku kõige ilmsem puudus liitiumioonakuga võrreldes on madalam energiatihedus nii ruumalalt kui ka massilt. Kuna Na+ ioon on füüsiliselt suurem kui Li+ ioon, ei ole Na-ioonakul võimalik saavutada liitiumioonakuga võrreldavat mahutavust. Na-ioonaku oluline puudus on ka see, et seni pole suudetud välja töötada turustamiseks sobivat varianti. Selleks on vaja jätkata uuringuid, et sobivalt kombineerida erinevaid soolasid, solvente, lisandeid ja sideaineid. Kuigi naatriumioonaku sarnaneb paljus liitiumioonakuga, on vaja mõista ka nende kahe erinevusi, et saaks välja töötada toimiva lahenduse.

Rakendused 
Põhiline rakendus, mida naatriumioonaku võiks pakkuda, on niisuguste allikate energia suuremahuline salvestamine, mille tootlikkus pole stabiilne. Siin on eelkõige mõeldud taastuvenergia allikaid, nagu tuuleenergia ja päikeseenergia, mille tootmine ja tarbimine pole enamasti omavahel kooskõlas. Liitiumi maailmavarud on ammendumas, samas nõudlus liitiumi järele aina kasvab. See on arvestatav põhjus, miks on mõistlik kasutada suuremahulise energiasalvestamiseks Na-ioonakut.

Ühte Tesla elektriautot toidab ligi 1300 sülearvuti aku jagu liitiumioonakusid. 2015. aastal teatasid teadlased naatriumakupatareist, mis kasutab 18650-tüüpi akuelemente. Niisugused akud võivad leida kasutamist sülearvutites, leedtaskulampides, elektriautodes ja muudes toodetes. Energiatiheduseks on lubatud 90 Wh/kg, mis on võrreldav liitium-raudfosfaataku vastava näitajaga.

Viited

Keemilised vooluallikad