Na-ioieko (SIB) baterietarako materialen garapena esponentzialki handitu da azken urteotan ion-litiozko baterietan eskuratutako ezagutzari esker, askotan antzeko propietateak baitituzte.

Izan ere, gehien ikertutako Na-ioieko baterietarako (funtsean, lurrean ugariak diren elementuz osatuak, hala nola Fe, Mn, P, C, N eta O) katodoen hiru familiak trantsizioko metalen oxido laminarrak, konposatu polianionikoak (biak bat datoz Li-ioi teknologian ere) eta Prusiako urdinezko analogoak dira.

Anodoari dagokionez, Na-ioieko bateriei buruzko serie honetako lehen artikuluan aipatu genuen, sodioa grafitoan ez tartekatzeak material anodiko nagusi bihurtu dituela nahasitako ikatzak mota horretako baterietan. Hauek, orokorrean, aitzindari ugari eta merkeetatik lortzen dira, nagusiki biomasa-hondakinetatik datozenak eta ikatz gogor (hard carbons) eta ikatz bigun (soft carbons) bezala sailka daitezkeenak, euren erresistentzia mekanikoaren arabera, ikatz gogorra arruntenak direlarik.

Oro har, ikatz gogorrek 300 eta 350 mAh/g arteko edukiera ematen dute, 0.3 eta 0.4 V arteko batez besteko tentsioarekin. Na+/Na, % 80tik gorako eraginkortasun koulonbikoarekin, baina zailtasun batzuk ditu segurtasunagatik, 100 mV-tik beherako plateauaren ondorioz, sodioaren platinga baino pixka bat gorago.

Aldiz, ikatz bigunek 200 eta 250 mA/g arteko edukiera ematen dute, 0.5 eta 0.6 V arteko batez besteko tentsioarekin. Na+/Na eta % 70 eta % 80 bitarteko eraginkortasun koulonbikoa. Nahiz eta frogatu den ikatz bigunen optimizazioak korronte altuko intentsitateei errendimendu elektrokimiko handiagoa ematen diela, ikatz gogorrak, euren dentsitate energetiko handiagoaren ondorioz, material anodikotzat hartzen dira Na-ioneko baterietarako, non segurtasunaz gain, eraginkortasun koulonbikoa optimizatu beharreko parametro bat den.

Li-ioieko bateriekin gertatzen den bezala, material katodikoen familia bakoitzak bere abantailak eta desabantailak ditu errendimendu elektrokimikoari, iraunkortasunari, kostuari eta abarri dagokienez.

Egoera hori kontuan hartuta, ba al dago kimika irabazlerik? Edo posible al da horietako batzuk batera egotea, hainbat aplikaziotarako merkatu zabalerako?

Trantsizioko metalen oxido laminarrek (M_T) edo oxido laminarrek (Na_xM_TO₂) egitura laminar bidimentsionalak dituzte (gehienbat P2 eta O3 egiturak), sodioaren txertatze itzulgarria ahalbidetzen dutenak. Konposatu hauen abantaila nagusia, euren pisu molekular baxuan datza, gaitasun espezifiko teoriko handia ematen duena.

Kontrapuntu gisa, erredox potentzial moderatua izateaz gain, fase-trantsizio ugari izaten dituzte egiturako sodio ioiak desgizarteratzen/txertatzen diren bitartean, eta, ondorioz, egiturazko ezegonkortasuna izaten dute zamalanetako zikloetan, batez ere tentsio handietan, eta ziklabilitate txikia eragiten dute. Egiturazko ezegonkortasun hori leundu egiten da potentzialaren leihoa mugatuz, baina edukiera zigortzen du, edukiera 240 mAh/g-tik 120 - 150 mAh/g-ra murrizten baita.

Errendimendu elektrokimikoa maximizatzeko gakoa da trantsizio-metalen konbinazio egokia, etorkizuneko aplikazio praktikoetarako energia-dentsitateko eta ziklabilitateko balio egokiak lortzea ahalbidetuko digutenak.

Spin-off batzuek, Faradion Limited (Erresuma Batua) eta HiNa Battery Technology Co (Txina) kasu, prototipoen gelaxketan probak egin dituzte pouch/zilindriko formatuan, Na_xNi_1-x-y-zMg_xMn_yTi_zO₂ eta Na_xNi_1-x-y-zMg_xMn_yTi_zO₂ konposizioko katodo laminarrak erabiliz, hurrenez hurren.

2017an, Faradionen ikerketei amaiera emateko, 400 kWh-ko SIB bat iragarri zen, 80 Wh/kg-ko energia ematen zuena, eta e-bike bati 35 km inguru egitea ahalbidetzen ziona, 2019an, HiNa Batteryk 100 kWh/30 kW-ko sodio bateria bat instalatu zuela iragarri zuen, energia sarean biltzeko eta Liyang hiriari elektrizitatea puntako orduetan emateko. Baina bi kasuetan, ez da datu gehiagorik ezagutzen, batez ere errendimendu elektrokimikoari dagokionez (ziklabilitatea, korronte-intentsitate desberdinak, etab.).

Konposatu polianionikoen kasuan, aldakortasun handia eskaintzen dute SIBetarako material katodiko berriak garatzeko, XO₄ (X = S, P, etab.) eta MO₆ oktaedroen (M = Me, Fe) konbinaziotik abiatuta eratuta baitaude, materialen propietateak optimizatzea eta maximizatzea ahalbidetuz (energiaren dentsitatea, metroaren eta doikuntzaren segurtasuna, doikuntza, etab.).

Material horiek, oro har, oxido laminarrek baino ahalmen txikiagoa dute (funtsean, pisu molekular handiagoa dutelako), bai eta eroankortasun elektroniko txikia ere, baina oso material erakargarritzat hartzen dira, beren tentsioaren eta egiturazko egonkortasunaren ondorioz (neurri batean, hedapen bolumetriko txikiari eta polianion taldeko X-O lotura kobalenteei esker).

Material interesgarrienen artean, kostu txikia, jasangarritasuna eta elementu ugarietatik abiatutako prestakuntza direla eta, NaFePO₄, Na₂FeP₂O₇ eta Na₄(Fe,Mn)(PO₄)₂(P₂O₇) daude, nahiz eta gaitasun teorikoa (~ 100 - 150 mAh/g) eta voltajeak (< 3 V vs. Na⁺/Na) moderatuak.

Aldiz, energia-dentsitatearen errendimenduaren ikuspegitik, materialik interesgarrienak Na₃V₂(PO₄)₃ eta Na₃V₂(PO₄)₂F₃ dira, eta horiek 100-120 mAh/g arteko gaitasuna eta 3.4 V vs. Na⁺/Na-ko batez besteko tentsioa ematen dute, egituran banadioa duten arren, elementu kritiko eta oso toxikotzat hartzen dena (batez ere V⁵⁺ oxidazio egoeran).

Kontzeptu probei dagokienez, aipatzekoa da R2SE sare frantsesak garatutako proposamena, gerora Spin-off Tiamat (Frantzia) sortu zuena. Lehen zelda zilindrikoa "186502" iragarri zuten, Na₃V₂(PO₄)₂F₃ material katodiko gisa erabiliz, eta energia-dentsitate espezifikoa 90 – 120 la Wh/kg artean, eta egonkortasun bikaina eman zuten zikloetan 75 Wh/kg-ko zelda baterako (4.000 ziklo inguru, edukieraren % 80tik gorako atxikipenarekin). Kasu honetan, erronka banadioa Mn eta Fe bezalako elementuekin ordezkatzean legoke, estrategia hori jada probatu baita, baina orain arte ez du arrakastarik izan.

Hirugarren familia interesgarria Prusiako urdin analogoena da (PBAs: Prussian Blue Analogues), NNa_xM_T[M_T’(CN)₆]_1-y·zH₂O (M_T = trantsizio-metala). 3D egitura bat dute, sodio ioiek azkar zabaltzen dituzten kanal handiak eratuz. Gainera, elementu ugari, merke eta ez-toxikoz osatuta daude.

Bere desabantaila nagusiak, bere dentsitate baxua izango lirateke, honek, sodio oxido laminarrekin alderatuta, energia bolumetriko dentsitate baxua, egitura kristalinoaren barnean ur molekulen presentzia eta elektrokimikan duen eraginaren ezagutza urria, eta egituran CN taldeen presentzia, HCN askatu ahal delarik (konposatu hauek, termikoki 200 ° C-raino egonkorrak direla frogatu den arren).

Sharp Laboratories of America, Inc.-ek garatutako Na_2-δMnFe(CN)₆·yH₂O konposizioak, 140 mah/g-ko ahalmena ematen dio 3.4 V vs. Na⁺/Na-ko batez besteko potentzialari, 542 Wh/kg-ko dentsitate energetikoa lortuz (material mailan) -LiFePO₄koen antzeko balioak Li-ioi-en bateria komertzialetan.

Ondoren, Spin-off Novasis Energies (Estatu Batuak) delakoak kontzeptu proba bat garatu zuen, 100 – 130 Wh/kg (150 – 210 Wh/L) emanez. Konposatu hauen aldakortasunari esker, katodo edo anodo bezala erabil daitezkeenak (konposizio kimikoaren arabera), Natron Energy (Estatu Batuak) amerikar Spin-offak Prusiaren urdinezko analogo bat erabiliz SIB bat garatu ahal izan zuen, katodoan zein anodoan, elektrolito urtsu batekin. Konfigurazio honek, elektrolito organiko batean baino energia dentsitate baxuagoak ematen ditu, baina, bestalde, 775 W/kg-ko (edo 1550, W/L) potentzia dentsitate balioak 12C-ko korronte intentsitatera iristea ahalbidetzen du, 25.000 ziklora iritsiz. Are gehiago, duela gutxi Natron’s BlueTray™ 4000 bateria komertzial bat garatu dute, datu zentroetarako edo telekomunikazioetarako eskuragarri dagoena.

Sortutako Na-ion baterien Spin-Off-en ikuspegi orokorra

Na-ioieko teknologia berpiztu zenetik, 2010ean, sodio baterien bost Spin-Off sortu dira, baina lau baino ez dira sendotu gaur egun arte.

Horietako bakoitzak garatu dituen kontzeptu-probak alderatzerakoan, proposatzen dituzten KPIak baloratzeaz gain, haien abantailak eta desabantailak ere aztertu behar dira, baita produktu komertzial bat sortu den ere.

Azpimarratu behar da KPIen arteko konparazio bidezkoak eta fidagarriak egiteko garrantzitsua dela argitaratu diren eta, beraz, kontrastatu daitezkeen balioak eta iragarri diren edo iragarpenak diren balioak bereiztea. Alderdi horiek guztiak hurrengo taula konparatiboan islatu nahi izan dira:

Laburbilduz, Spin-Off ezberdinen azterketa sakon honek adierazten du etorkizun handiko teknologia baten aurrean gaudela, haien heldutasuna kontuan hartuta.

Azken urteotan aurrerapen handiak egin dira kontzeptu-proba desberdinen garapenean, baita produktu komertzial bat sortu ere (azpimarratzekoa da, bere energia-dentsitatea dela eta, bere aplikazio-eremua mugatua dela). Aurrerapen handi horiek gorabehera, Naren teknologian oraindik ere beharrezkoa da Li-ioien teknologia lortzea ahalbidetuko duten eta egungo esparruan teknologia lehiakor bat sortu ahal izango duten material aurreratuen garapenean ikertzea. Norabide horretan ari da CIC energiGUNE ikertzen.

CIC energiGUNEn sodio ioien bateriei buruzko ikerketa

CIC energiGUNEko Na-ion baterien ikerketa-lerroaren helburua material berriak garatzea da (katodoak, anodoak eta elektrolitoak), bai eta errendimendu hobea duten materialak optimizatzea, prozesatzea eta prototipatzea optimizatzea ere, Na-ion bateria lehiakorrak garatzen laguntzeko, Li-ioiekoekin alderatuta, kostuari, segurtasunari eta ingurumen-inpaktuari dagokienez.

Horretarako, Na-ion-en baterien bideragarritasuna ebaluatzeko KPIen azterketa ere egiten ari da, aplikazio egonkorretan erabiltzeko, bereziki sareko aplikazioetan, Na-ion-en teknologia aplika litezkeenak identifikatzeko ideiarekin.

Oro har, balizko aplikazio bakoitzerako, hainbat KPIk baldintzatzen dute haren erabilera, eta kostua da garrantzitsuena, baina baita iraunkortasunak, fidagarritasunak, jasangarritasunak eta abarrek ere, orekatuta egon behar dute.

Etorkizuneko ikerketak material aurreratuak (anodoa eta katodoa) garatzea izan behar du ardatz, NA-ko ioi bateriak garatu ahal izateko, 250 Wh/kg inguruko energiarekin, SET-PLAN Action 7 delakoan 2030erako ezarrita dagoen bezala, eta horrela LIBS bateriekin zuzenean lehiatu ahal izateko. Gainera, elektrolito aurreratu berriak garatzea, tenperatura-tarte zabal batean errendimendua (bizi-ziklo luzea) handitzeko aukera emango diguna, funtsezko faktorea izango da aparkatu beharreko aplikazioetan eskala handian ezartzeko.