세포 화학 경쟁: 리튬 대 나트륨 시스템
| Jerry Huang
실온 리튬-황(Li/S 8 ) 및 리튬-산소(Li/O 2 ) 배터리에 대한 연구가 지난 10년 동안 크게 증가했습니다. 그러한 세포 시스템을 개발하기 위한 경쟁은 주로 매우 높은 이론적 에너지 밀도와 풍부한 황 및 산소에 의해 동기가 부여됩니다. 그러나 전지 화학은 복잡하고 실제 장치 개발을 향한 진행은 현재 수많은 접근 방식으로 해결되고 있는 몇 가지 근본적인 핵심 문제로 인해 여전히 방해받고 있습니다.
놀랍게도, 유사한 나트륨 기반 배터리 시스템에 대해 많이 알려져 있지 않지만, 이미 상용화된 고온 Na/S 8 및 Na/NiCl 2 배터리는 나트륨 기반 충전식 배터리가 대규모로 실현 가능함을 시사합니다. 더욱이, 자연적으로 풍부한 나트륨은 저가 부품을 기반으로 하는 배터리 개발에 매력적인 이점입니다.
이 리뷰는 리튬-황 및 리튬-산소 배터리에 대한 최신 지식의 요약과 유사한 나트륨 시스템과의 직접적인 비교를 제공합니다. 일반 속성, 주요 이점 및 과제, 성능 개선을 위한 최근 전략 및 추가 개발을 위한 일반 지침이 요약되고 비판적으로 논의됩니다. 일반적으로 나트륨을 리튬으로 대체하는 것은 전지 반응의 전반적인 특성에 강한 영향을 미치므로 이온 수송, 상 안정성, 전극 전위, 에너지 밀도 등의 차이를 예상할 수 있습니다.
이러한 차이가 더 가역적인 전지 화학에 도움이 될지는 여전히 미해결 질문이지만 실온 Na/S 8 및 Na/O 2 전지에 대한 일부 첫 번째 보고서는 이미 확립된 Li/S 8 및 Li/O 2 시스템.
충전식 리튬 이온 배터리(LIB)는 1990년대 초 상용화 이후 모든 모바일 애플리케이션에서 가장 중요한 에너지 저장 형태가 되었습니다. 이것은 주로 금속 수소화물 또는 납산과 같은 다른 충전식 배터리 시스템을 쉽게 능가하는 비할 데 없는 에너지 밀도 때문입니다. 그러나 전기를 더욱 안전하게, 보다 컴팩트하게, 보다 저렴하게 저장해야 하는 지속적인 요구로 인해 지속적인 연구 개발이 필요합니다.
저렴한 고정식 에너지 저장 장치에 대한 필요성이 또 다른 과제가 되었으며, 이는 또한 대체 배터리에 대한 연구를 촉발합니다. 예를 들어 더 효율적인 패키징, 처리, 더 나은 전해질 및 최적화된 전극 재료를 통해 다양한 리튬 이온 기술을 지속적으로 개선하기 위한 주요 노력이 이루어지고 있습니다. 지난 몇 년 동안 전력 밀도와 관련하여 상당한 진전이 있었지만 에너지 밀도의 증가(체적 및 중량)는 상대적으로 작았습니다. 에너지 밀도와 관련된 다양한 배터리 기술의 비교가 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1: 다양한 충전식 배터리의 이론상 및 (추정된) 실제 에너지 밀도: Pb-산 – 납산, NiMH – 니켈 금속 수소화물, Na-이온 – 약간 더 낮은 셀 전압, Li- 이온 – 다양한 유형에 대한 평균, HT-Na/S 8 – 고온 나트륨-황 배터리, Li/S 8 및 Na/S 8 – Li 2 S 및 Na2S를 방전 생성물로 가정하는 리튬-황 및 나트륨-황 배터리, Li /O 2 및 Na/O 2 – 리튬-산소 배터리(이론적 값에는 산소의 무게가 포함되며 가정된 방전 생성물, 즉 산화물, 과산화물 또는 과산화물의 화학량론에 따라 다름). 실제 에너지 밀도 값은 배터리 설계(크기, 고전력, 고에너지, 단일 셀 또는 배터리) 및 개발 상태에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 실제 에너지 밀도에 대한 모든 값은 전지 수준을 나타냅니다(Pb-산, 12V 제외). Li/S 8 및 Li/O 2 배터리의 값은 문헌(본문 내에서 인용)에서 가져왔으며 Na/S 8 및 Na/O 2 전지의 에너지 밀도를 추정하는 데 사용됩니다. 위의 기술 중 현재까지 상용화된 기술은 납산, NiMH, Li-ion 및 고온 Na/S 8 기술뿐이다.
참조: