سباق كيمياء الخلية: أنظمة الليثيوم مقابل الصوديوم
| Jerry Huang
زادت الأبحاث المخصصة لبطاريات الليثيوم والكبريت في درجة حرارة الغرفة (Li / S 8 ) وبطاريات الليثيوم والأكسجين (Li / O 2 ) بشكل كبير خلال السنوات العشر الماضية. السباق لتطوير مثل هذه الأنظمة الخلوية مدفوع أساسًا بكثافة الطاقة النظرية العالية جدًا ووفرة الكبريت والأكسجين. ومع ذلك ، فإن كيمياء الخلية معقدة ، ولا يزال التقدم نحو تطوير الجهاز العملي يعوقه بعض المشكلات الأساسية الأساسية ، والتي يتم معالجتها حاليًا من خلال العديد من الأساليب.
من المدهش تمامًا أنه لا يُعرف الكثير عن أنظمة البطاريات المماثلة القائمة على الصوديوم ، على الرغم من أن بطاريات Na / S 8 و Na / NiCl 2 التجارية عالية الحرارة بالفعل تشير إلى أن بطارية قابلة لإعادة الشحن تعتمد على الصوديوم ممكنة على نطاق واسع. علاوة على ذلك ، تعتبر الوفرة الطبيعية للصوديوم فائدة جذابة لتطوير البطاريات على أساس المكونات منخفضة التكلفة.
تقدم هذه المراجعة ملخصًا لأحدث المعارف عن بطاريات الليثيوم والكبريت والليثيوم والأكسجين ومقارنة مباشرة مع أنظمة الصوديوم المماثلة. الخصائص العامة ، الفوائد والتحديات الرئيسية ، الإستراتيجيات الحديثة لتحسين الأداء والمبادئ التوجيهية العامة لمزيد من التطوير يتم تلخيصها ومناقشتها بشكل نقدي. بشكل عام ، فإن استبدال الليثيوم بالصوديوم له تأثير قوي على الخصائص العامة لتفاعل الخلية والاختلافات في نقل الأيونات ، واستقرار الطور ، وإمكانات القطب ، وكثافة الطاقة ، وما إلى ذلك يمكن توقعها.
ما إذا كانت هذه الاختلافات ستستفيد من كيمياء خلية أكثر قابلية للعكس لا يزال سؤالًا مفتوحًا ، ولكن بعض التقارير الأولى عن درجة حرارة الغرفة خلايا Na / S 8 و Na / O 2 تظهر بالفعل بعض الاختلافات المثيرة مقارنةً بـ Li / S 8 و أنظمة Li / O 2 .
أصبحت بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن (LIBs) بسرعة أهم أشكال تخزين الطاقة لجميع تطبيقات الهاتف المحمول منذ تسويقها في أوائل التسعينيات. ويرجع ذلك أساسًا إلى كثافة الطاقة التي لا مثيل لها والتي تتفوق بسهولة على أنظمة البطاريات الأخرى القابلة لإعادة الشحن مثل الهيدريد المعدني أو حمض الرصاص. ومع ذلك ، فإن الحاجة المستمرة لتخزين الكهرباء بشكل أكثر أمانًا وأكثر إحكاما وتكلفة معقولة تتطلب البحث والتطوير المستمر.
أصبحت الحاجة إلى تخزين الطاقة الثابتة غير المكلفة تحديًا إضافيًا ، مما يؤدي أيضًا إلى بدء البحث عن البطاريات البديلة. يتم توجيه الجهود الرئيسية نحو التحسينات المستمرة لتقنيات Li-ion المختلفة من خلال التعبئة والتغليف والمعالجة الأكثر كفاءة والإلكتروليتات الأفضل ومواد الإلكترود المحسّنة ، على سبيل المثال. على الرغم من إحراز تقدم كبير فيما يتعلق بكثافة الطاقة خلال السنوات الماضية ، إلا أن الزيادة في كثافة الطاقة (الحجمي والجاذبية) كانت صغيرة نسبيًا. يوضح الشكل 1 مقارنة بين تقنيات البطاريات المختلفة فيما يتعلق بكثافة طاقتها.
الشكل 1: كثافات الطاقة النظرية و (المقدرة) العملية لبطاريات مختلفة قابلة لإعادة الشحن: Pb - حمض - حمض الرصاص ، NiMH - هيدريد معدن النيكل ، Na-ion - تقدير مشتق من بيانات Li-ion بافتراض جهد خلية أقل قليلاً ، Li- أيون - متوسط على أنواع مختلفة ، HT-Na / S 8 - بطارية صوديوم - كبريت بدرجة حرارة عالية ، Li / S 8 و Na / S 8 - بطارية ليثيوم - كبريت وصوديوم - كبريت بافتراض أن Li 2 S و Na2S كمنتجات تفريغ ، Li / O 2 و Na / O 2 - بطارية ليثيوم - أكسجين (تشمل القيم النظرية وزن الأكسجين وتعتمد على قياس العناصر المتكافئة لمنتج التفريغ المفترض ، أي أكسيد أو بيروكسيد أو أكسيد فائق). لاحظ أن قيم كثافات الطاقة العملية يمكن أن تختلف إلى حد كبير اعتمادًا على تصميم البطارية (الحجم ، والطاقة العالية ، والطاقة العالية ، والخلية المفردة أو البطارية) وحالة التطور. تشير جميع قيم كثافات الطاقة العملية إلى مستوى الخلية (باستثناء Pb – acid ، 12 فولت). تم أخذ قيم بطاريات Li / S 8 و Li / O 2 من الأدبيات (مذكورة في النص الرئيسي) وتستخدم لتقدير كثافة الطاقة لخلايا Na / S 8 و Na / O 2. من بين التقنيات المذكورة أعلاه ، تم تسويق تقنيات حمض الرصاص ، NiMH ، Li-ion فقط ، وتقنيات Na / S 8 عالية الحرارة حتى الآن.
مراجع: