A atração de Na

O íon de sódio é outra ferramenta do kit químico para enfrentar a crise climática

BOSTON, 31 de maio de 2023 /PRNewswire/ -- Na-ion é provavelmente a química de bateria de íon metálico mais proeminente fora de Li-ion, trabalhando através da mesma 'cadeira de balanço' (onde o íon alcalino vai de um não-metal ânodo para cátodo durante a descarga e vice-versa durante a carga) princípio da intercalação catiônica reversível, em um eletrodo positivo e negativo. Os materiais também podem ser semelhantes aos íons de lítio, com óxidos metálicos frequentemente usados ​​como cátodo e materiais à base de carbono como ânodo. No entanto, o carbono não pode estar na forma de grafite, pois o tamanho do Na+ é muito grande para intercalação e, na realidade, as escolhas de materiais podem diferir significativamente em comparação com as químicas de íons de lítio.

Abordagem de cátodo diversificado

As três principais famílias de materiais catódicos são os óxidos metálicos em camadas, compostos polianiônicos e análogos do azul da Prússia (PBA). Os óxidos em camadas de metais de transição têm estruturas em camadas bidimensionais que permitem a inserção reversível de sódio. A grande vantagem desses compostos reside em seu baixo peso molecular, o que resulta em uma alta capacidade específica teórica. Porém, além de apresentarem potencial redox moderado, sofrem múltiplas transições de fase durante a desinserção/inserção de íons sódio - resultando em instabilidade estrutural durante carga/descarga, principalmente em altas tensões, levando a baixa ciclabilidade.

Graças à sua alta estabilidade e rápida mobilidade iônica dentro de sua estrutura estrutural, os materiais polianiônicos são intensamente estudados como materiais catódicos promissores para baterias de íons de Na. Embora esses materiais geralmente tenham menor capacidade do que os óxidos em camadas (normalmente devido ao seu maior peso molecular) e baixa condutividade eletrônica, eles são considerados muito atraentes devido à sua maior tensão e estabilidade estrutural.

A terceira família de interesse são os análogos do azul da Prússia (PBAs). Eles têm uma estrutura 3D com grandes canais através dos quais os íons de sódio podem se difundir rapidamente. Além disso, são formados por elementos abundantes, baratos e não tóxicos. A vantagem adicional dos PBAs é a simplicidade da síntese: sua principal desvantagem é sua baixa densidade, o que leva a uma baixa densidade de energia volumétrica em comparação com os óxidos em camadas.

Como as baterias de íons de lítio, cada família de materiais catódicos tem suas vantagens e desvantagens (como em termos de desempenho eletroquímico, sustentabilidade, custo, etc.). Considerando este cenário, não existe uma única química vencedora. É mais provável que vários cátodos de Na coexistissem para atender aos amplos requisitos resultantes do amplo mercado para diferentes aplicações. O relatório da IDTechEx, "Baterias de íons de sódio 2023-2033: tecnologia, participantes, mercados e previsões", abrange os desenvolvimentos industriais no mercado de baterias de íons de sódio e fornece análises de patentes nas químicas dos principais players.

As baterias Na-Ion são realmente sustentáveis?

Uma das principais propostas de valor da bateria de íon Na é que ela usa materiais sustentáveis. O sódio está amplamente disponível e materiais problemáticos, como o cobalto, podem ser evitados.

Embora os materiais do cátodo sejam menos propensos a usar cobalto, eles ainda podem usar materiais relativamente caros, como o vanádio. Comparado ao Li-ion, o Na-ion pode ser comercializado como mais sustentável devido ao uso de sódio em vez do lítio – isso seria uma simplificação excessiva, visto que o lítio representa apenas uma pequena porcentagem de uma célula de Li-ion. As células de íon Na podem e fazem uso de materiais de baixo custo em seus eletrodos, mas isso também pode ser verdade para Li-ion com LFP ou cátodos baseados em manganês. A possibilidade de usar alumínio como coletor de corrente negativa e positiva tem o potencial de proporcionar economia de custos. A escolha do material do eletrodo também é fundamental nesse aspecto, pois podem ser usados ​​materiais caros e baratos.

Existe uma oportunidade de uma potencial escassez de oferta de lítio no médio prazo, dada a falta de investimento necessário na extração de matéria-prima. Embora haja recursos de lítio suficientes para atender à demanda prevista de Li-ion antes de contabilizar a reciclagem, a capacidade de extrair esse lítio não cresceu na taxa necessária, oferecendo uma oportunidade para produtos químicos alternativos (por exemplo, Na-ion) no meio e longo prazo. O relatório da IDTechEx sobre baterias de íons de sódio prevê o crescimento da demanda por baterias de íons de sódio em aplicações como armazenamento estacionário de energia e micro EVs.