Perlumbaan Kimia Sel: Sistem Litium lwn Sodium
| Jerry Huang
Penyelidikan yang ditumpukan kepada bateri litium–sulfur (Li/S 8 ) dan litium–oksigen (Li/O 2 ) suhu bilik telah meningkat dengan ketara sejak sepuluh tahun yang lalu. Perlumbaan untuk membangunkan sistem sel sedemikian terutamanya didorong oleh ketumpatan tenaga teori yang sangat tinggi dan banyaknya sulfur dan oksigen. Kimia sel, bagaimanapun, adalah kompleks, dan kemajuan ke arah pembangunan peranti praktikal masih terhalang oleh beberapa isu utama asas, yang kini sedang ditangani oleh pelbagai pendekatan.
Agak menghairankan, tidak banyak yang diketahui tentang sistem bateri berasaskan natrium analog, walaupun bateri Na/S 8 dan Na/NiCl 2 bersuhu tinggi yang telah dikomersialkan mencadangkan bahawa bateri boleh dicas semula berdasarkan natrium boleh dilaksanakan pada skala besar. Selain itu, kelimpahan semula jadi natrium adalah faedah yang menarik untuk pembangunan bateri berdasarkan komponen kos rendah.
Kajian ini menyediakan ringkasan pengetahuan terkini tentang bateri litium-sulfur dan litium-oksigen dan perbandingan langsung dengan sistem natrium analog. Sifat umum, faedah dan cabaran utama, strategi terkini untuk peningkatan prestasi dan garis panduan umum untuk pembangunan selanjutnya diringkaskan dan dibincangkan secara kritis. Secara umum, penggantian litium untuk natrium mempunyai kesan yang kuat ke atas sifat keseluruhan tindak balas sel dan perbezaan dalam pengangkutan ion, kestabilan fasa, potensi elektrod, ketumpatan tenaga, dan sebagainya boleh dijangkakan.
Sama ada perbezaan ini akan memberi manfaat kepada kimia sel yang lebih boleh diterbalikkan masih menjadi persoalan terbuka, tetapi beberapa laporan pertama mengenai suhu bilik Na/S 8 dan sel Na/O 2 sudah menunjukkan beberapa perbezaan yang menarik berbanding dengan Li/S 8 yang telah ditetapkan dan Sistem Li/O 2.
Bateri litium-ion boleh dicas semula (LIB) telah menjadi bentuk storan tenaga yang paling penting dengan pantas untuk semua aplikasi mudah alih sejak pengkomersilannya pada awal 1990-an. Ini disebabkan terutamanya oleh ketumpatan tenaga yang tiada tandingannya yang mudah mengatasi sistem bateri boleh dicas semula yang lain seperti logam–hidrida atau asid plumbum. Bagaimanapun, keperluan berterusan untuk menyimpan tenaga elektrik dengan lebih selamat, lebih padat dan lebih berpatutan memerlukan penyelidikan dan pembangunan yang berterusan.
Keperluan untuk penyimpanan tenaga pegun yang murah telah menjadi cabaran tambahan, yang juga mencetuskan penyelidikan mengenai bateri alternatif. Usaha besar ditujukan ke arah penambahbaikan berterusan teknologi Li-ion yang berbeza dengan pembungkusan, pemprosesan, elektrolit yang lebih baik dan bahan elektrod yang dioptimumkan, contohnya. Walaupun kemajuan ketara telah dicapai berkenaan dengan ketumpatan kuasa sejak beberapa tahun kebelakangan ini, peningkatan dalam ketumpatan tenaga (secara volumetrik dan gravimetrik) adalah agak kecil. Perbandingan teknologi bateri yang berbeza berkenaan dengan ketumpatan tenaga mereka ditunjukkan dalam Rajah 1.
Rajah 1: Ketumpatan tenaga teori dan (anggaran) praktikal bagi bateri boleh dicas semula yang berbeza: Pb–asid – asid plumbum, NiMH – hidrida logam nikel, Na-ion – anggaran yang diperoleh daripada data untuk Li-ion dengan mengandaikan voltan sel rendah sedikit, Li- ion – purata ke atas jenis yang berbeza, HT-Na/S 8 – bateri natrium–sulfur suhu tinggi, Li/S 8 dan Na/S 8 – bateri litium–sulfur dan natrium–sulfur dengan mengandaikan Li 2 S dan Na2S sebagai produk nyahcas, Li /O 2 dan Na/O 2 – bateri litium-oksigen (nilai teori termasuk berat oksigen dan bergantung pada stoikiometri produk nyahcas yang diandaikan, iaitu, oksida, peroksida atau superoksida). Ambil perhatian bahawa nilai untuk ketumpatan tenaga praktikal boleh berbeza-beza bergantung pada reka bentuk bateri (saiz, kuasa tinggi, tenaga tinggi, sel tunggal atau bateri) dan keadaan pembangunan. Semua nilai untuk ketumpatan tenaga praktikal merujuk kepada tahap sel (kecuali Pb–asid, 12 V). Nilai untuk bateri Li/S 8 dan Li/O 2 diambil daripada literatur (dipetik dalam teks utama) dan digunakan untuk menganggarkan ketumpatan tenaga untuk sel Na/S 8 dan Na/O 2. Daripada teknologi di atas, hanya asid plumbum, NiMH, Li-ion dan teknologi Na/S 8 suhu tinggi telah dikomersialkan sehingga kini.
Rujukan: