Sodyum iyon pil

Sodyum iyon pil (NIB veya SIB), elektirik yükü taşıyıcıları olarak sodyum iyonlarını kullanan şarj edilebilir pildir. Çalışma prensibi ve hücre yapısı, lityum iyon pil (LIB) türleri ile benzerdir, ancak lityum yerine sodyum kullanılır. SIB'ler, eşitsiz coğrafi dağılım, yüksek çevresel etki ve lityumlu piller için gereken ancak sodyum-iyon pil türü için zorunlu olmayan lityum, kobalt, bakır ve nikel gibi birçok malzemenin yüksek maliyeti nedeniyle 2010'lar ve 2020'lerde ilgi gördü. Sodyum-iyon pillerin en büyük avantajı, sodyumun doğal bolluğudur. SIB'lerin benimsenmesine yönelik zorluklar, düşük enerji yoğunluğu ve yetersiz şarj-deşarj döngülerini içerir.
Sodyum-iyon piller -2022 itibarıyla- ticari hale gelmemişti, ancak dünyanın en büyük pil üreticisi CATL'nin 2023'te SIB'lerin seri üretimine başlayacağını duyurdu. Şubat 2023'te Çinli HiNa Battery Technology Co., Ltd. ilk kez bir elektrikli test arabasına 120 Wh/kg sodyum-iyon pil yerleştirdi. Ayrıca 2023 yılında Enerji depolama üreticisi Pylontech, TÜV Rheinland tarafından ilk sodyum-iyon pil sertifikasını aldı.
Tarih
Sodyum iyon pil gelişimi 1970'ler ve 1980'lerin başında gerçekleşti. Bununla birlikte, 1990'lara gelindiğinde, lityum iyon piller, sodyum iyon pillere olan ilginin azalmasına neden olan ticari vaatlerde bulundu. 2010'ların başlarında, sodyum iyon piller, büyük ölçüde lityum iyon pil hammaddelerinin artan maliyeti nedeniyle yeniden canlandı.
Çalışma prensibi
Hücreler, sodyum barındıran bir katot, bir anot ve polar protik veya aprotik çözücüler içinde ayrışmış sodyum tuzları içeren bir sıvı elektrolitten oluşur. Şarj sırasında, elektronlar dış devre boyunca hareket ederken, sodyum iyonları katottan anoda hareket eder. Deşarj sırasında, ters işlem gerçekleşir.
Malzemeler
SIB'ler Sodyumun fiziksel ve elektrokimyasal özelliklerinden dolayı LIB'ler için kullanılanlardan başka malzemeler gerektirir.
Anotlar
SIB'ler, grafitleştirilemeyen, amorf bir karbon olan sert karbon malzeme kullanır. Malzemenin sodyum emme yeteneği 2000 yılında keşfedildi. Bu anodun, Na/Na +' ya kıyasla ⁓0,15 V üzerinde eğimli bir potansiyel profiliyle 300 mAh/g sağladığı gösterildi. Sert karbon kullanan ilk sodyum iyon hücresi 2003 yılında sergilendi ve deşarj sırasında ortalama 3,7 V voltaj gösterdi. Mükemmel kapasite kombinasyonu, (düşük) çalışma potansiyelleri ve çevrim stabilitesi nedeniyle sert karbon tercih edilir.
2015 yılında araştırmacılar, grafitin eter bazlı elektrolitlerde sodyum ile birlikte katkı sağlayabileceğini gösterdi. Na/Na +'ya karşı 100 mAh/g civarı düşük kapasitelerde 0 1,2 V arasında nispeten yüksek çalışma potansiyelleri elde edilmiştir. Na 2 Ti 3 O 7, veya NaTiO 2, gibi bazı sodyum titanat fazları, düşük çalışma potansiyellerinde (< 1 V - Na/Na) yaklaşık 90180 mAh/g kapasite sağladı, ancak döngü stabilitesi birkaç yüz döngü ile sınırlıydı. Çok sayıda rapor, alaşım ve/veya dönüşüm reaksiyonu yoluyla sodyum depolayan anot malzemelerini tanımlar. Bir sodyum alaşımı, sodyum iyonu taşınmasını düzenleme vedendritlerin ucundaki elektrik alan birikimini önleme faydalarını sağlar. Wang ve ark. nikel antimonun (NiSb) arayüzünün, deşarj sırasında bir Na metali üzerinde kimyasal olarak biriktirildiğini bildirdi. Bu ince NiSb tabakası, metalinin elektrokimyasal kaplamasını uniform şekilde düzenler, aşırı potansiyeli düşürür ve 10 mAh cm -2'lik yüksek bir alan kapasitesinde 100 saatin üzerinde Na metalinde dendritsiz kaplama/sıyırma imkanı sunar.
Başka bir çalışmada Anot Li ve ark.'ınca sodyum ve metalik kalay kullanılarak spontan bir reaksiyonla hazırlanmıştı. Bu anot, C'lik yüksek bir sıcaklıkta çalışabiliyor. 1 mA cm −2'de 1 mA h cm −2 ile bir karbonat elektrolit içinde ve tam hücre, 2C akım yoğunluğunda 100 döngülük sabit bir döngü hızı sergiledi. Sodyum alaşımının aşırı sıcaklıklarda çalışma ve dendritik büyümeyi düzenleme yeteneğine rağmen, tekrarlanan depolama döngüleri sırasında malzeme üzerinde yaşanan şiddetli gerilim-gerinim, özellikle geniş formatlı hücrelerde döngü stabilitesini sınırlar. Tokyo Bilim Üniversitesi'nden araştırmacılar, Aralık 2020'de duyurulan nano boyutlu magnezyum parçacıklarıyla 478 mAh/g'ye ulaştı.
Çinli araştırmacılar 2021'de sodyum iyon pillerde anot olarak katmanlı (Poliimid türevi N-katkılı karbon nanotüplerin yüzeyine yoğun bir şekilde birleştirilmiş karbon kaplı MoS2 nano-tabakaları bir çözünme-yeniden kristalleştirme işlemi) denedi.
Bu tür bir C-MoS 2 /NCNT anodu 1 A/g'de 400 döngüden sonra %82 stabilitesi 2A/g'de 348 mAh/g, depolayabilir. TiS2, katmanlı yapısı nedeniyle SIB'ler için başka bir potansiyel malzemedir, ancak TiS2 zayıf elektrokimyasal kinetik ve nispeten zayıf yapısal kararlılığa sahip olduğundan, kapasite zayıflaması sorununun üstesinden henüz gelmemiştir. 2021'de Çin'in Ningbo kentinden araştırmacılar, 165,9 mAh/g hız kapasitesi ve 500 döngüden sonra %85,3 kapasite döngü stabilitesi sunan, önceden potasifiye edilmiş TiS2 kullandı.
Deneysel sodyum-iyon pillerde Grafen Janus parçacıkları enerji yoğunluğunu artırmak için kullanılmıştır. Bir taraf etkileşim yerleri, diğer taraf katmanlar arası ayırma sağlar. Enerji yoğunluğu 337 mAh/g'a ulaştı.
Katotlar
Sodyum-iyon katotlar, interkalasyon yoluyla sodyum depolar. Yüksek kitle yoğunlukları, çalışma potansiyelleri ve kapasiteleri nedeniyle, sodyum geçiş metal oksitlerine dayalı katotlar büyük ilgi gördü. Maliyetleri düşürmek için Co, Cr, Ni veya V gibi elementler düşük tutulur.
Toprakta bol miktarda bulunan Fe ve Mn kaynaklarından P2 tipi Na2/3 Fe1/2 Mn1/2O 2 oksit, Fe 3 kullanan Na/Na + ' ya karşı ortalama 2,75 V deşarj voltajında tersine çevrilebilir şekilde 190 mAh/g depolayabilir +/4+ redoks çifti LiFePO4 veya LiMn2O4 gibi ticari lityum iyon katotlara eşdeğer veya onlardan daha iyidir. Bununla birlikte, sodyumca eksik olan doğası, enerji yoğunluğunu düşürdü. Na açısından daha zengin oksitlerin geliştirilmesi için önemli çabalar harcandı. Karışık bir P3/P2/O3 tipi Na0,76 Mn0,5Ni0,3 Fe0,1Mg0,1 O2'nin 2015'te Na/Na +' a kıyasla ortalama 3,2 V deşarj voltajında 140 mAh/g verdiği gösterildi. Özellikle de O3 tipi NaNi1/4Na1/6Mn2/12Ti4/12Sn1/12O2 oksit, Na/Na + ' a karşı ortalama 3,22 V voltajda 160 mAh/g sağlayabilir, Naa Ni(1−x−y−z) Mnx MgyTiz O2 stokiyometrisinin bir dizi katkılı Ni bazlı oksitleri, bir sodyum iyonu "tam hücre" içinde 157 mAh/g sağlayabilir. Ni2+/4+ redoks çiftini kullanan ortalama 3,2 V deşarj voltajında sert karbon anot.
Tam hücre konfigürasyonunda böyle bir performans daha iyidir veya ticari lityum iyon sistemleriyle eşittir. Bir Na0.67 Mn1−x MgxO2 katot malzemesi, Na0.67Mn0.95Mg0.05O2 için 175 mAh/g deşarj kapasitesi sergilemiştir. Bu katot yalnızca bol miktarda element içeriyordu. Bakır ikameli Na0.67Ni0.3−xCux Mn0.7O 2 katot malzemeleri, daha iyi kapasite tutma ile birlikte yüksek tersinir bir kapasite gösterdi. Bakır içermeyen Na0,67Ni0,3−xCux Mn0,7O2 elektrotunun aksine, Cu ikameli katotlar daha iyi sodyum depolaması sağlar. Ancak Cu içeren katotlar daha pahalıdır.
Araştırma polianyonlara dayalı katotları da dikkate aldı. Bu tür katotlar, hacimli anyon nedeniyle enerji yoğunluğunu düşürerek daha düşük kitlesel yoğunluk sunar. Bu, döngü ömrü ve güvenliğini olumlu yönde etkileyen polianyonun daha güçlü kovalent bağı ile dengelenebilir. Polianyon bazlı katotlar arasında, sodyum vanadyum fosfat ve florofosfat mükemmel döngü kararlılığı ve ikincisinde yüksek ortalama deşarj voltajlarında (⁓3,6 V ) kabul edilebilir derecede yüksek bir kapasite (⁓120 mAh/g) göstermiştir.
Birkaç rapor, 150160 mAh/g kapasite ve 3,4 V ortalama deşarj voltajı gösteren patentli eşkenar dörtgen Na2MnFe(CN)6 ile çeşitli Prusya mavisi ve Prusya mavisi analoglarının (PBA'lar) kullanımını tartıştı ve eşkenar dörtgen Prusya beyazı Na1.88(5) Fe[Fe(CN)6]0.18(9)H20, başlangıç kapasitesi 158 mAh/g ve 50 devirden sonra %90 kapasiteyi koruyor.
Elektrolitler
Sodyum iyon piller, sulu ve susuz elektrolit kullanabilir. Suyun elektrokimyasal stabilitesi sınırlıdır ve bu daha düşük voltaj ve sınırlı enerji yoğunlukları ile sonuçlanır. Susuz karbonat ester polar aprotik çözücüler voltaj aralığını genişletir. Bunlar etilen karbonat, dimetil karbonat, dietil karbonat ve propilen karbonatı içerir. En yaygın kullanılan sulu olmayan elektrolit, bu çözücülerin bir karışımında çözünmüş tuz olarak sodyum hekzaflorofosfat kullanır. Ek olarak, elektrolit katkı maddeleri performans ölçümlerini iyileştirebilir.
Karşılaştırma
Sodyum iyon piller, Lityum iyon pillerle karşılaştırıldığında, daha düşük maliyet, biraz daha düşük enerji yoğunluğu, daha iyi güvenlik özellikleri ve benzer güç dağıtım özelliklerine sahiptir.
Aşağıdaki tablo, NIB'lerin şu anda piyasada bulunan iki yeniden doldurulabilir lityum-iyon pil ve şarj edilebilir kurşun-asit pil pil teknolojisine göre nasıl bir performans gösterdiğini karşılaştırmaktadır:
Ticarileştirme
Şirketler, ticari olarak uygun sodyum-iyon piller geliştirmek için çalışıyor.
Modası geçmiş
Aquion Enerji
Aquion Energy (2008 ile 2017 arasında) Carnegie Mellon Üniversitesi yan kuruluşuydu. Pilleri sodyum titanyum fosfat anot, manganez dioksit katot ve sodyum perklorat elektrolite dayanıyordu. Devlet ve özel krediler aldıktan sonra, 2017 yılında iflas başvurusunda bulundu. Varlıkları, Aquion'un patentlerinin çoğunu terk eden Çinli bir üretici Juline-Titans'a satıldı.
Aktif
Faradion Limited
Faradion Limited, Hindistan'daki Reliance Industries'in yan kuruluşudur. Hücre tasarımı, sert karbon anod, oksit katot ve sıvı elektrolit kullanır. Poşet hücreleri, ticari Li-ion pillerle karşılaştırılabilir enerji yoğunlukları (hücre seviyesinde 160 Wh/kg) ve 3C'ye kadar hız performansı ve 1.000 döngü sonrasında %80 sarj derinlik ömürlerine sahiptir.
Pil paketleri, e-bisiklet ve e-scooter uygulamaları için kullanıldı. Sodyum-iyon hücrelerinin kısa devre durumunda (0 V'ta) taşınabildiğini gösterdiler ve bu tür hücrelerin ticari nakliyesinden kaynaklanan riskleri ortadan kaldırdılar. AMTE Power plc (eski adıyla AGM Batteries Limited) ile ortaktır.
Faradion, New South Wales 5 Aralık 2022'de Avustralya'da ilk ulusal sodyum-iyon pilini kurdu
TİAMAT
TIAMAT, CNRS/CEA' ve NAIADES adlı bir H2020 AB projesinden ayrıldı. Teknolojisi, polianyonik malzemelere dayalı 18650 biçimli silindirik hücrelerin geliştirilmesine odaklanmaktadır. 100 Wh/kg ile 120 Wh/kg arasında enerji yoğunluğu elde etti. Teknoloji, hızlı şarj-deşarj pazarlarını hedefliyor. 5 dakikalık şarj süresi sonunda 2 ile 5 kW/kg arası güç yoğunluğu sağlar. Kullanım ömrü, kapasitenin %80'ine kadar 5000'den fazla döngüdür.
HiNA Pil Teknolojisi Şirketi
HiNa Battery Technology Co., Ltd, Çin Bilimler Akademisi (CAS) yan kuruluşudur. Prof Hu Yong-sheng'in CAS Fizik Enstitüsündeki grubu tarafından yürütülen araştırmalardan yararlanır. HiNa'nın pilleri, Na-Fe-Mn-Cu bazlı oksit katot ve antrasit bazlı karbon anoda dayanmaktadır. 2023'te HiNa, elektrikli Sehol E10X'e sodyum iyon pil koyan ilk şirket olarak JAC ile ortaklık kurdu. HiNa ayrıca sırasıyla 140 Wh/kg, 145 Wh/kg ve 155 Wh/kg gravimetrik enerji yoğunluklarına sahip NaCR32140-ME12 silindirik hücre, NaCP50160118-ME80 kare hücre ve NaCP73174207-ME240 kare hücre olmak üzere üç sodyum iyon ürünü ortaya çıkardı. 2019'da HiNa'nın Doğu Çin'de 100 kWh sodyum-iyon pil güç bankası kurduğu bildirildi.
Natron Enerji
Stanford Üniversitesi yan ürünü olan Natron Energy, sulu bir elektrolit ile hem katot hem de anot için Prusya mavisi analoglarını kullanıyor.
Altris AB
Altris AB, Uppsala Üniversitesi'nde Prof. Kristina Edström tarafından yönetilen Ångström Gelişmiş Pil Merkezi'nin bir yan ürünüdür.
Şirket, anot olarak sert karbon kullanan sulu olmayan sodyum-iyon pillerdeki pozitif elektrot için tescilli bir demir bazlı Prusya mavisi analoğu sunuyor.
CATL
Çinli üretici CATL, 2021'de sodyum-iyon bazlı bir pili 2023 yılına kadar piyasaya süreceğini duyurdu. Pozitif elektrot için Prusya mavisi analogu ve negatif elektrot için gözenekli karbon kullanır. İlk nesil pillerinde 160 Wh/kg özgül enerji yoğunluğu olduğunu iddia ettiler. Şirket, hem sodyum-iyon hem de lityum-iyon hücreleri içeren bir hibrit pil paketi üretmeyi planladı.