Gara di chimica cellulare: sistemi al litio contro sodio
| Jerry Huang
La ricerca dedicata alle batterie litio-zolfo (Li/S 8 ) e litio-ossigeno (Li/O 2 ) a temperatura ambiente è notevolmente aumentata negli ultimi dieci anni. La corsa allo sviluppo di tali sistemi cellulari è principalmente motivata dall'altissima densità energetica teorica e dall'abbondanza di zolfo e ossigeno. La chimica cellulare, tuttavia, è complessa e il progresso verso lo sviluppo pratico di dispositivi rimane ostacolato da alcune questioni chiave fondamentali, che sono attualmente affrontate da numerosi approcci.
Sorprendentemente, non si sa molto sugli analoghi sistemi di batterie a base di sodio, sebbene le batterie Na/S 8 e Na/NiCl 2 ad alta temperatura già commercializzate suggeriscano che una batteria ricaricabile a base di sodio è fattibile su larga scala. Inoltre, l'abbondanza naturale di sodio è un vantaggio interessante per lo sviluppo di batterie basate su componenti a basso costo.
Questa recensione fornisce una sintesi dello stato dell'arte delle conoscenze sulle batterie litio-zolfo e litio-ossigeno e un confronto diretto con gli analoghi sistemi al sodio. Le proprietà generali, i principali vantaggi e le sfide, le strategie recenti per il miglioramento delle prestazioni e le linee guida generali per ulteriori sviluppi sono riassunte e discusse in modo critico. In generale, la sostituzione del litio con il sodio ha un forte impatto sulle proprietà complessive della reazione cellulare e si possono quindi prevedere differenze nel trasporto ionico, stabilità di fase, potenziale dell'elettrodo, densità di energia, ecc.
Se queste differenze trarranno beneficio da una chimica cellulare più reversibile è ancora una questione aperta, ma alcuni dei primi rapporti sulle celle Na/S 8 e Na/O 2 a temperatura ambiente mostrano già alcune interessanti differenze rispetto alle consolidate Li/S 8 e Li / O 2 sistemi.
Le batterie ricaricabili agli ioni di litio (LIB) sono diventate rapidamente la forma più importante di accumulo di energia per tutte le applicazioni mobili dalla loro commercializzazione all'inizio degli anni '90. Ciò è dovuto principalmente alla loro densità di energia senza rivali che supera facilmente altri sistemi di batterie ricaricabili come metallo-idruro o piombo-acido. Tuttavia, la continua necessità di immagazzinare l'elettricità in modo ancora più sicuro, compatto e conveniente richiede una continua ricerca e sviluppo.
La necessità di uno stoccaggio di energia stazionario a basso costo è diventata un'ulteriore sfida, che stimola anche la ricerca su batterie alternative. I maggiori sforzi sono diretti al miglioramento continuo delle diverse tecnologie agli ioni di litio, ad esempio mediante confezionamento, lavorazione, elettroliti migliori e materiali ottimizzati per gli elettrodi. Sebbene negli ultimi anni siano stati compiuti progressi significativi rispetto alla densità di potenza, l'aumento della densità di energia (volumetrica e gravimetrica) è stato relativamente piccolo. Un confronto tra diverse tecnologie di batterie rispetto alle loro densità di energia è mostrato nella Figura 1.
Figura 1: Densità energetiche teoriche e (stimate) pratiche di diverse batterie ricaricabili: Pb–acido – piombo acido, NiMH – nichel metal idruro, Na-ion – stima derivata dai dati per Li-ion assumendo una tensione di cella leggermente inferiore, Li- ion – media su diversi tipi, HT-Na/S 8 – batteria sodio–zolfo ad alta temperatura, Li/S 8 e Na/S 8 – batteria litio–zolfo e sodio–zolfo assumendo Li 2 S e Na2S come prodotti di scarica, Li /O 2 e Na/O 2 – batteria litio-ossigeno (i valori teorici includono il peso dell'ossigeno e dipendono dalla stechiometria del prodotto di scarica assunto, cioè ossido, perossido o superossido). Si noti che i valori per le densità energetiche pratiche possono variare ampiamente a seconda del design della batteria (dimensioni, alta potenza, alta energia, singola cella o batteria) e dallo stato di sviluppo. Tutti i valori per le densità energetiche pratiche si riferiscono al livello della cella (eccetto Pb–acido, 12 V). I valori per le batterie Li/S 8 e Li/O 2 sono stati presi dalla letteratura (citati nel testo principale) e sono usati per stimare le densità di energia per le celle Na/S 8 e Na/O 2. Delle suddette tecnologie, fino ad oggi sono state commercializzate solo le tecnologie piombo acido, NiMH, ioni di litio e Na/S 8 ad alta temperatura.
Riferimenti: