O renascimento das baterias de íon de sódio à temperatura ambiente
Devido às abundantes reservas de sódio (Na) na crosta terrestre e às propriedades físico-químicas semelhantes do sódio e do lítio, o armazenamento de energia eletroquímica à base de sódio é uma promessa significativa para o armazenamento de energia em grande escala e o desenvolvimento da rede. Por exemplo, células de atividade de pesquisa de baterias de alta temperatura com emissão zero baseadas em sistemas Na/NiCl2 e células Na-S de alta temperatura, que são casos comerciais de sucesso de aplicações estacionárias e móveis, já demonstraram o potencial das baterias recarregáveis à base de sódio. No entanto, sua alta temperatura operacional de cerca de 300 °C causa problemas de segurança e diminui a eficiência de ida e volta das baterias de íon de sódio (SIBs). Os SIBs à temperatura ambiente (RT) são, portanto, amplamente considerados como a tecnologia alternativa mais promissora aos LIBs.
Ao longo da história das baterias nos últimos 200 anos, a pesquisa sobre SIBs foi realizada com fervor lado a lado com o desenvolvimento do LIB. A atividade eletroquímica do TiS2 para o lítio e sua viabilidade para armazenamento de energia foi apresentada pela primeira vez na década de 1970. Após esta descoberta, a capacidade dos íons Na de serem inseridos no TiS+2 foi percebida no início dos anos 1980. Com a descoberta do grafite como um material anódico de baixo custo e capacidade moderada para LIBs e a falha na intercalação de íons de sódio, o rápido desenvolvimento do LIB ocorreu na década de 1990, substituindo o crescimento na química do sódio. Então, em 2000, a disponibilidade para armazenamento de sódio em carbono duro (HC), que proporcionaria uma capacidade energética semelhante à do Li na grafite, rejuvenesceu o interesse de pesquisa em SIBs.
Uma comparação entre bateria de íon de sódio e bateria de íon de lítio
O renascimento dos CIS – juntamente com a pressão cada vez maior da falta de disponibilidade de reservas de lítio e a correspondente escalada dos custos – proporciona uma estratégia complementar aos LIBs. Os CISs têm recebido cada vez mais atenção da pesquisa, combinada com conquistas fundamentais na ciência dos materiais, no esforço para satisfazer a crescente penetração das tecnologias de energia renovável. Os componentes celulares e os mecanismos de reação eletroquímica dos SIBs são basicamente idênticos aos dos LIBs, exceto pelo transportador de carga, que é Na em um e Li no outro. A principal razão para a rápida expansão na química dos materiais SIB é atribuída aos paralelos nas propriedades físico-químicas entre os dois metais alcalinos.
Primeiro, os princípios operacionais e a construção das células dos SIBs são semelhantes aos dos LIBs comerciais, embora com o Na servindo como portador de carga. Existem quatro componentes principais em um SIB típico: um material catódico (geralmente um composto contendo Na); um material anódico (não contendo necessariamente Na); um eletrólito (no estado líquido ou sólido); e um separador. Durante o processo de carga, os íons de sódio são extraídos dos cátodos, que normalmente são óxidos metálicos em camadas e compostos polianiônicos, e são então inseridos nos ânodos, enquanto a corrente viaja através de um circuito externo na direção oposta. Ao descarregar, o Na sai dos ânodos e retorna aos cátodos em um processo conhecido como “princípio da cadeira de balanço”. Essas semelhanças permitiram a compreensão preliminar e o rápido crescimento da tecnologia SIB。
Além disso, o maior raio iônico do Na traz suas próprias vantagens: maior flexibilidade da positividade eletroquímica e diminuição da energia de dessolvatação em solventes polares. A maior lacuna no raio iônico entre o Li e os íons do metal de transição geralmente leva à falha na flexibilidade do design do material. Em contraste, um sistema à base de sódio permite estruturas sólidas mais flexíveis do que um sistema à base de lítio e possui enorme condutividade iônica. Um exemplo típico é o β-Al2O3, para o qual a intercalação de Na tem tamanho perfeito e alta condutividade. Óxidos de metais de transição com mais camadas e diferentes modos de empilhamento M+x+ podem ser facilmente realizados em um sistema à base de sódio. Da mesma forma, a grande variedade de estruturas cristalinas conhecidas para a família de condutores iônicos de sódio (NaSICON) é muito mais complicada do que a dos análogos de lítio. Mais importante ainda, uma condutividade iônica muito maior pode ser permitida em compostos NaSICON, que excede em muito a condutividade iônica em compostos condutores iônicos de lítio (LiSICON).
Por último, mas não menos importante, investigações sistemáticas com diferentes solventes polares apróticos demonstraram que o maior raio iônico do Na causa uma energia de dessolvatação mais fraca. O Li menor tem uma densidade de carga superficial mais alta ao redor do núcleo do que o Na quando ambos possuem a mesma valência. O Li é, portanto, estabilizado termodinamicamente ao compartilhar mais elétrons com as moléculas polares do solvente. Ou seja, o Li pode ser classificado como um tipo de ácido de Lewis. Como resultado, uma energia de dessolvatação relativamente alta é necessária para o Li altamente polarizado, levando a uma resistência de transferência relativamente grande induzida pelo transporte de Li do estado líquido (eletrólito) para o estado sólido (eletrodo). Uma vez que a energia de dessolvatação está intimamente relacionada com a cinética de transferência que ocorre na interface líquido/sólido, a energia de dessolvatação relativamente baixa é uma vantagem significativa para projetar SIBs de alta potência.