کمرے کے درجہ حرارت کی سوڈیم آئن بیٹریوں کی بحالی
زمین کی پرت میں سوڈیم (Na) کے وافر ذخائر اور سوڈیم اور لیتھیم کی اسی طرح کی فزیکو کیمیکل خصوصیات کی وجہ سے، سوڈیم پر مبنی الیکٹرو کیمیکل توانائی کا ذخیرہ بڑے پیمانے پر توانائی کے ذخیرہ اور گرڈ کی ترقی کے لیے اہم وعدہ رکھتا ہے۔ مثال کے طور پر، Na/NiCl2 سسٹمز پر مبنی اعلی درجہ حرارت صفر اخراج بیٹری ریسرچ ایکٹیویٹی سیلز اور ہائی ٹمپریچر Na–S سیلز، جو کہ اسٹیشنری اور موبائل ایپلی کیشنز کے کامیاب تجارتی کیسز ہیں، پہلے ہی سوڈیم پر مبنی ریچارج ایبل بیٹریوں کی صلاحیت کو ظاہر کر چکے ہیں۔ تاہم، تقریباً 300 °C کا ان کا اعلیٰ آپریٹنگ درجہ حرارت سیکورٹی کے مسائل کا سبب بنتا ہے اور سوڈیم آئن بیٹریوں (SIBs) کی راؤنڈ ٹرپ کارکردگی کو کم کرتا ہے۔ کمرے کے درجہ حرارت (RT) SIBs کو وسیع پیمانے پر LIBs کے لیے سب سے زیادہ امید افزا متبادل ٹیکنالوجی سمجھا جاتا ہے۔
پچھلے 200 سالوں میں بیٹریوں کی تاریخ میں، SIBs پر تحقیق LIB کی ترقی کے ساتھ شانہ بشانہ کی گئی۔ لیتھیم کے لیے TiS2 کی الیکٹرو کیمیکل سرگرمی اور توانائی کے ذخیرہ کرنے کے لیے اس کی فزیبلٹی کو پہلی بار 1970 کی دہائی میں پیش کیا گیا تھا۔ اس دریافت کے بعد، TiS+2 میں Na آئنوں کو داخل کرنے کی صلاحیت 1980 کی دہائی کے اوائل میں محسوس ہوئی۔ LIBs کے لیے کم لاگت اور اعتدال پسند انوڈ مواد کے طور پر گریفائٹ کی دریافت اور سوڈیم آئنوں کو انٹرکیلیٹ کرنے میں ناکامی کے ساتھ، 1990 کی دہائی میں LIB کی تیزی سے ترقی ہوئی، جس نے سوڈیم کیمسٹری میں ترقی کو آگے بڑھایا۔ پھر، 2000 میں، ہارڈ کاربن (HC) میں سوڈیم ذخیرہ کرنے کی دستیابی، جو گریفائٹ میں لی کی طرح توانائی فراہم کرے گی، نے SIBs میں تحقیق کی دلچسپی کو پھر سے جوان کیا۔
سوڈیم آئن بیٹری اور لیتھیم آئن بیٹری کا موازنہ
SIBs کی بحالی — لیتھیم کے ذخائر کی دستیابی کی کمی اور لاگت میں اسی طرح کے اضافے سے بڑھتے ہوئے دباؤ کے ساتھ مل کر — LIBs کو ایک تکمیلی حکمت عملی فراہم کرتی ہے۔ SIBs نے قابل تجدید توانائی کی ٹیکنالوجیز کی بڑھتی ہوئی رسائی کو پورا کرنے کی مہم میں، مواد سائنس میں بنیادی کامیابیوں کے ساتھ مل کر، بڑھتی ہوئی تحقیق پر توجہ حاصل کی ہے۔ سیل کے اجزاء اور SIBs کے الیکٹرو کیمیکل ری ایکشن میکانزم بنیادی طور پر LIBs سے ایک جیسے ہیں، سوائے چارج کیریئر کے، جو ایک میں Na اور دوسرے میں Li ہے۔ SIB میٹریل کیمسٹری میں تیزی سے پھیلنے کی بڑی وجہ دو الکلی دھاتوں کے درمیان فزیکو کیمیکل خصوصیات میں متوازی ہے۔
سب سے پہلے، SIBs کے آپریٹنگ اصول اور سیل کی تعمیر کمرشل LIBs سے ملتی جلتی ہے، حالانکہ Na چارج کیریئر کے طور پر کام کر رہا ہے۔ ایک عام SIB میں چار اہم اجزاء موجود ہوتے ہیں: ایک کیتھوڈ مواد (عام طور پر ایک Na پر مشتمل مرکب)؛ ایک انوڈ مواد (ضروری نہیں کہ Na پر مشتمل ہو)؛ ایک الیکٹرولائٹ (مائع یا ٹھوس حالت میں)؛ اور الگ کرنے والا۔ چارج کے عمل کے دوران، سوڈیم آئن کیتھوڈس سے نکالے جاتے ہیں، جو عام طور پر تہہ دار دھاتی آکسائیڈز اور پولیانیونک مرکبات ہوتے ہیں، اور پھر انوڈس میں داخل کیے جاتے ہیں، جبکہ کرنٹ ایک بیرونی سرکٹ کے ذریعے مخالف سمت میں سفر کرتا ہے۔ خارج ہونے پر، Na انوڈس کو چھوڑ کر کیتھوڈس میں واپس آجاتا ہے اس عمل میں جسے "راکنگ چیئر اصول" کہا جاتا ہے۔ ان مماثلتوں نے SIB ٹیکنالوجی کی ابتدائی تفہیم اور تیز رفتار ترقی کو قابل بنایا ہے۔
مزید برآں، Na کا بڑا آئنک رداس اپنے فوائد لاتا ہے: الیکٹرو کیمیکل مثبتیت کی لچک میں اضافہ اور قطبی سالوینٹس میں ڈی-سالویشن توانائی میں کمی۔ لی اور ٹرانزیشن میٹل آئنوں کے درمیان آئنک رداس میں زیادہ فرق عام طور پر مادی ڈیزائن کی لچک کی ناکامی کا باعث بنتا ہے۔ اس کے برعکس، سوڈیم پر مبنی نظام لتیم پر مبنی نظام کے مقابلے میں زیادہ لچکدار ٹھوس ڈھانچے کو قابل بناتا ہے، اور بہت زیادہ آئنک چالکتا رکھتا ہے۔ ایک عام مثال β-Al2O3 ہے، جس کے لیے Na انٹرکلیشن کامل سائز اور اعلی چالکتا ہے۔ مختلف M+x+ اسٹیکنگ آداب کے ساتھ مزید تہہ دار ٹرانزیشن میٹل آکسائیڈز کو سوڈیم پر مبنی نظام میں آسانی سے محسوس کیا جا سکتا ہے۔ اسی طرح، کرسٹل ڈھانچے کی وسیع اقسام جو سوڈیم آئنک کنڈکٹر (NaSICON) فیملی کے لیے مشہور ہیں، لیتھیم اینالاگ سے کہیں زیادہ پیچیدہ ہیں۔ زیادہ اہم بات یہ ہے کہ NaSICON مرکبات میں بہت زیادہ آئنک چالکتا کی اجازت دی جاسکتی ہے، جو کہ لتیم آئنک کنڈکٹر (LiSICON) مرکبات میں آئنک چالکتا سے کہیں زیادہ ہے۔
آخری لیکن کم از کم، مختلف aprotic قطبی سالوینٹس کے ساتھ منظم تحقیقات نے یہ ثابت کیا ہے کہ Na کا بڑا آئنک رداس کمزور تحلیل توانائی کا سبب بنتا ہے۔ چھوٹے Li کی کور کے گرد سطح کے چارج کی کثافت Na کے مقابلے میں زیادہ ہوتی ہے جب دونوں میں ایک ہی والینس ہوتی ہے۔ اس لیے لی کو قطبی سالوینٹ مالیکیولز کے ساتھ مزید الیکٹران بانٹ کر تھرموڈینامک طور پر مستحکم کیا جاتا ہے۔ یعنی لی کو لیوس ایسڈ کی ایک قسم کے طور پر درجہ بندی کیا جا سکتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، انتہائی پولرائزڈ لی کے لیے نسبتاً زیادہ تحلیل توانائی کی ضرورت ہوتی ہے، جس کی وجہ سے لی کی مائع حالت (الیکٹرولائٹ) سے ٹھوس حالت (الیکٹروڈ) میں نقل و حمل کے ذریعے نسبتاً بڑی منتقلی مزاحمت پیدا ہوتی ہے۔ چونکہ تزئین کی توانائی کا مائع/ٹھوس انٹرفیس پر ہونے والی منتقلی حرکیات سے گہرا تعلق ہے، اس لیے نسبتاً کم تنزلی توانائی ہائی پاور SIBs کو ڈیزائن کرنے کے لیے ایک اہم فائدہ ہے۔
