Carrera de química celular: sistemas de litio vs sodio
| Jerry Huang
La investigación dedicada a las baterías de litio-azufre (Li / S 8 ) y de litio-oxígeno (Li / O 2 ) a temperatura ambiente ha aumentado significativamente en los últimos diez años. La carrera por desarrollar tales sistemas celulares está motivada principalmente por la altísima densidad de energía teórica y la abundancia de azufre y oxígeno. Sin embargo, la química celular es compleja y el progreso hacia el desarrollo práctico de dispositivos sigue obstaculizado por algunos problemas clave fundamentales, que actualmente se están abordando mediante numerosos enfoques.
Sorprendentemente, no se sabe mucho sobre los sistemas de baterías análogos a base de sodio, aunque las baterías de Na / S 8 y Na / NiCl 2 de alta temperatura ya comercializadas sugieren que una batería recargable a base de sodio es factible a gran escala. Además, la abundancia natural de sodio es un beneficio atractivo para el desarrollo de baterías basadas en componentes de bajo costo.
Esta revisión proporciona un resumen del conocimiento más avanzado sobre baterías de litio-azufre y litio-oxígeno y una comparación directa con los sistemas análogos de sodio. Las propiedades generales, los principales beneficios y desafíos, las estrategias recientes para mejorar el rendimiento y las pautas generales para un mayor desarrollo se resumen y se discuten críticamente. En general, la sustitución de sodio por litio tiene un fuerte impacto en las propiedades generales de la reacción de la celda y, por lo tanto, se pueden esperar diferencias en el transporte de iones, estabilidad de fase, potencial de electrodo, densidad de energía, etc.
Si estas diferencias beneficiarán a una química celular más reversible sigue siendo una cuestión abierta, pero algunos de los primeros informes sobre las células de Na / S 8 y Na / O 2 a temperatura ambiente ya muestran algunas diferencias interesantes en comparación con las establecidas Li / S 8 y Sistemas Li / O 2.
Las baterías recargables de iones de litio (LIB) se han convertido rápidamente en la forma más importante de almacenamiento de energía para todas las aplicaciones móviles desde su comercialización a principios de la década de 1990. Esto se debe principalmente a su inigualable densidad de energía que supera fácilmente a otros sistemas de baterías recargables como el hidruro metálico o el plomo-ácido. Sin embargo, la necesidad constante de almacenar electricidad de forma aún más segura, más compacta y asequible requiere una investigación y un desarrollo continuos.
La necesidad de un almacenamiento de energía estacionario y económico se ha convertido en un desafío adicional, que también desencadena la investigación sobre baterías alternativas. Los principales esfuerzos se dirigen hacia la mejora continua de las diferentes tecnologías de iones de litio mediante un envasado y un procesamiento más eficientes, mejores electrolitos y materiales de electrodos optimizados, por ejemplo. Aunque se ha logrado un progreso significativo con respecto a la densidad de potencia durante los últimos años, el aumento en la densidad de energía (volumétrica y gravimétrica) fue relativamente pequeño. En la Figura 1 se muestra una comparación de diferentes tecnologías de baterías con respecto a sus densidades de energía.
Figura 1: Densidades de energía teóricas y prácticas (estimadas) de diferentes baterías recargables: Pb – ácido - plomo ácido, NiMH - hidruro metálico de níquel, ion-Na - estimación derivada de datos para ion-litio asumiendo un voltaje de celda ligeramente más bajo, Li- ion - promedio sobre diferentes tipos, HT-Na / S 8 - batería de sodio-azufre de alta temperatura, Li / S 8 y Na / S 8 - batería de litio-azufre y sodio-azufre asumiendo Li 2 S y Na2S como productos de descarga, Li / O 2 y Na / O 2 - batería de litio-oxígeno (los valores teóricos incluyen el peso del oxígeno y dependen de la estequiometría del producto de descarga supuesto, es decir, óxido, peróxido o superóxido). Tenga en cuenta que los valores para las densidades de energía prácticas pueden variar en gran medida según el diseño de la batería (tamaño, alta potencia, alta energía, celda única o batería) y el estado de desarrollo. Todos los valores de densidades de energía prácticas se refieren al nivel de la celda (excepto Pb-ácido, 12 V). Los valores para las baterías Li / S 8 y Li / O 2 se tomaron de la literatura (citada en el texto principal) y se utilizan para estimar las densidades de energía para las celdas de Na / S 8 y Na / O 2. De las tecnologías anteriores, hasta la fecha solo se han comercializado las tecnologías de plomo-ácido, NiMH, Li-ion y Na / S 8 de alta temperatura.
Referencias: