Hlavným problémom súčasnej energetiky zostáva nájsť spôsoby, ako skladovať obnoviteľné zdroje energie efektívne, ekonomicky a udržateľne.
Sodíkovo-iónové batérie sú štruktúrou podobné lítiovo-iónovým batériám okrem toho, že na prenos náboja medzi elektródami počas nabíjania a vybíjania používajú sodíkové ióny namiesto lítiových. Ilustračný obrázok. Zdroj: iStock/jroballo
Lítiovo-iónové batérie poháňali prenosné zariadenia a elektrické vozidlá už desaťročia, ale cena lítia, obmedzené zásoby a environmentálne vplyvy inšpirovali vedcov k hľadaniu alternatív. Sodík, prvok, ktorý sa nachádza v kuchynskej soli, je lacný, hojný a šetrný k vode. Nedávna štúdia naznačuje, že batérie na báze sodíka nielenže dokážu efektívne skladovať elektrinu, ale môžu aj pomôcť pri odsoľovaní a riešiť tak dve globálne výzvy naraz.
Sodíkovo-iónové batérie
Sodíkovo-iónové batérie sú štruktúrou podobné lítiovo-iónovým batériám okrem toho, že na prenos náboja medzi elektródami počas nabíjania a vybíjania používajú sodíkové ióny namiesto lítiových. Keďže sodík je taký hojný a lacný, tieto batérie by mohli dramaticky znížiť náklady na skladovanie energie. Vyvinúť katódové materiály, ktoré sú schopné akumulovať veľké množstvo sodíka a zároveň si zachovať stabilitu počas mnohých nabíjacích cyklov, však predstavuje pretrvávajúci problém. Konvenčné katódové materiály buď nedokážu obsiahnuť dostatočné množstvo sodíka, alebo sa rýchlo rozkladajú.
Vo väčšine materiálov batérií sa voda považuje za kontaminant, niečo, čo znižuje výkon a skracuje životnosť. Výskumníci z Univerzity v Surrey sa rozhodli zámerne udržať vodu vnútri štruktúry materiálu batérie, a to pomocou hydratovanej formy vanadičnanu sodného, vedecky označovanej NaV₃O₈·xH₂O. Táto zlúčenina má jedinečnú vrstvovitú štruktúru. Molekuly vody sa nachádzajú medzi vrstvami oxidov sodíka a vanádu, čím vytvárajú dodatočný priestor. Tento vytvorený priestor umožňuje iónom sodíka ľahšie prenikať a uvoľňovať sa pri nabíjaní a vybíjaní, čo vedie k zvýšeniu celkovej skladovacej kapacity batérie. V testoch tento optimalizovaný hydratovaný materiál poskytol pozoruhodnú kapacitu približne 280 mAh/g – vyššiu ako mnohé existujúce katódy sodíkových iónov – a udržal si vysoký výkon po mnohých cykloch.
Rovnaký materiál sa môže použiť vo vodných systémoch, kde je elektrolytom slaná voda. V tomto prostredí hydrát vanadičnanu sodného nielenže slúži ako elektróda batérie, ale počas prevádzky z vody tiež extrahuje chlorid sodný (kuchynskú soľ).
Jadrom tejto technológie je spôsob, ako hydratovaná štruktúra rozširuje priestor dostupný pre pohyb iónov. Zdroj: University of Surrey
V experimentoch materiál odstránil až 173 mg NaCl na gram materiálu elektródy, čo je v porovnaní s inými podobnými technológiami značné množstvo. To znamená, že keď sa batéria nabíja a ióny sodíka sa pohybujú do elektródy, soľ sa vyťahuje z okolitej vody, to je forma elektrochemického odsoľovania.
Jadrom tejto technológie je spôsob, ako hydratovaná štruktúra rozširuje priestor dostupný pre pohyb iónov. V typickom materiáli batérie bez vody sa ióny sodíka zmestia do úzkych kanálov alebo miest vnútri kryštálovej mriežky. To obmedzuje, koľko iónov sa môže v tejto štruktúre nachádzať a ako rýchlo sa môžu pohybovať. Keď sú medzi vrstvami prítomné molekuly vody, ako je to v hydráte vanadičnanu sodného, tieto vrstvy sú od seba mierne odsunuté. To umožňuje sodíkovým iónom voľnejší pohyb a umiestnenie väčšieho počtu iónov.
Využitie v modernom svete
Tieto zistenia ponúkajú nový pohľad na to, ako uvažujeme o skladovaní energie. Namiesto toho, aby sme vodu vnímali ako problém, ktorý treba odstrániť, nový výskum ukazuje, že voda môže byť prínosom, zlepšuje výkon a umožňuje nové funkcie, ako je odsoľovanie. Pred komercializáciou technológie bude potrebné potvrdiť dlhodobú stabilitu v reálnych prevádzkových podmienkach, zvýšiť výrobu a integrovať ju do batériových systémov. Prvé výsledky však poukazujú na všestrannú, udržateľnú a potenciálne dvojúčelovú energetickú technológiu, ktorá by mohla urobiť sodíkové iónové batérie atraktívnejšími.
Zdroje: Royal Society of Chemistry, Science Daily
(zh)
