Course à la chimie cellulaire : systèmes lithium vs sodium
| Jerry Huang
Les recherches consacrées aux batteries lithium-soufre (Li/S 8 ) et lithium-oxygène (Li/O 2 ) à température ambiante se sont considérablement développées au cours des dix dernières années. La course au développement de tels systèmes cellulaires est principalement motivée par la très haute densité énergétique théorique et l'abondance de soufre et d'oxygène. La chimie cellulaire, cependant, est complexe et les progrès vers le développement de dispositifs pratiques restent entravés par certains problèmes clés fondamentaux, qui sont actuellement abordés par de nombreuses approches.
De manière assez surprenante, on ne sait pas grand-chose sur les systèmes de batteries analogues à base de sodium, bien que les batteries Na/S 8 et Na/NiCl 2 à haute température déjà commercialisées suggèrent qu'une batterie rechargeable à base de sodium est réalisable à grande échelle. De plus, l'abondance naturelle du sodium est un atout attractif pour le développement de batteries à base de composants à faible coût.
Cette revue fournit un résumé des connaissances de pointe sur les batteries lithium-soufre et lithium-oxygène et une comparaison directe avec les systèmes analogues au sodium. Les propriétés générales, les principaux avantages et défis, les stratégies récentes d'amélioration des performances et les directives générales pour un développement ultérieur sont résumés et discutés de manière critique. En général, la substitution du lithium par le sodium a un fort impact sur les propriétés globales de la réaction cellulaire et des différences de transport d'ions, de stabilité de phase, de potentiel d'électrode, de densité d'énergie, etc. peuvent donc être attendues.
La question de savoir si ces différences profiteront à une chimie cellulaire plus réversible reste une question ouverte, mais certains des premiers rapports sur les cellules Na/S 8 et Na/O 2 à température ambiante montrent déjà des différences intéressantes par rapport aux Li/S 8 et Li / O 2 systèmes.
Les batteries lithium-ion rechargeables (LIB) sont rapidement devenues la forme de stockage d'énergie la plus importante pour toutes les applications mobiles depuis leur commercialisation au début des années 90. Ceci est principalement dû à leur densité d'énergie inégalée qui surpasse facilement les autres systèmes de batteries rechargeables tels que métal-hydrure ou plomb-acide. Cependant, le besoin continu de stocker l'électricité de manière encore plus sûre, plus compacte et plus abordable nécessite une recherche et un développement continus.
Le besoin de stockage d'énergie stationnaire peu coûteux est devenu un défi supplémentaire, qui déclenche également des recherches sur des batteries alternatives. Des efforts importants sont dirigés vers l'amélioration continue des différentes technologies Li-ion par un emballage et un traitement plus efficaces, de meilleurs électrolytes et des matériaux d'électrode optimisés, par exemple. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés en ce qui concerne la densité de puissance au cours des dernières années, l'augmentation de la densité d'énergie (volumétriquement et gravimétriquement) a été relativement faible. Une comparaison des différentes technologies de batteries en ce qui concerne leurs densités énergétiques est illustrée à la figure 1.
Figure 1 : Densités énergétiques théoriques et (estimées) pratiques de différentes batteries rechargeables : Pb–acide – plomb acide, NiMH – nickel métal hydrure, Na-ion – estimation dérivée des données pour Li-ion en supposant une tension de cellule légèrement inférieure, Li- ion - moyenne sur différents types, HT-Na/S 8 - batterie sodium-soufre à haute température, Li/S 8 et Na/S 8 - batterie lithium-soufre et sodium-soufre en supposant Li 2 S et Na2S comme produits de décharge, Li /O 2 et Na/O 2 – batterie lithium-oxygène (les valeurs théoriques incluent le poids d'oxygène et dépendent de la stoechiométrie du produit de décharge supposé, c'est-à-dire oxyde, peroxyde ou superoxyde). Notez que les valeurs des densités énergétiques pratiques peuvent varier largement en fonction de la conception de la batterie (taille, haute puissance, haute énergie, cellule unique ou batterie) et de l'état de développement. Toutes les valeurs des densités d'énergie pratiques se réfèrent au niveau de la cellule (sauf Pb-acide, 12 V). Les valeurs pour les batteries Li/S 8 et Li/O 2 ont été tirées de la littérature (citée dans le texte principal) et sont utilisées pour estimer les densités d'énergie pour les cellules Na/S 8 et Na/O 2 . Parmi les technologies ci-dessus, seules les technologies plomb acide, NiMH, Li-ion et Na/S 8 haute température ont été commercialisées à ce jour.
Les références: