Celchemie Race: Lithium versus natriumsystemen
| Jerry Huang
Onderzoek naar lithium-zwavel (Li/S 8 ) en lithium-zuurstof (Li/O 2 )-batterijen bij kamertemperatuur is de afgelopen tien jaar aanzienlijk toegenomen. De wedloop om dergelijke celsystemen te ontwikkelen wordt voornamelijk ingegeven door de zeer hoge theoretische energiedichtheid en de overvloed aan zwavel en zuurstof. De celchemie is echter complex en de vooruitgang in de richting van de ontwikkeling van praktische apparaten wordt nog steeds belemmerd door enkele fundamentele sleutelkwesties, die momenteel worden aangepakt door tal van benaderingen.
Verrassend genoeg is er niet veel bekend over de analoge op natrium gebaseerde batterijsystemen, hoewel de reeds gecommercialiseerde Na/S 8- en Na/NiCl 2- batterijen voor hoge temperaturen suggereren dat een oplaadbare batterij op basis van natrium op grote schaal haalbaar is. Bovendien is de natuurlijke overvloed aan natrium een aantrekkelijk voordeel voor de ontwikkeling van batterijen op basis van goedkope componenten.
Deze review geeft een samenvatting van de state-of-the-art kennis over lithium-zwavel- en lithium-zuurstofbatterijen en een directe vergelijking met de analoge natriumsystemen. De algemene eigenschappen, grote voordelen en uitdagingen, recente strategieën voor prestatieverbeteringen en algemene richtlijnen voor verdere ontwikkeling worden samengevat en kritisch besproken. In het algemeen heeft de vervanging van natrium door lithium een sterke invloed op de algemene eigenschappen van de celreactie en kunnen dus verschillen in ionentransport, fasestabiliteit, elektrodepotentiaal, energiedichtheid, enz. worden verwacht.
Of deze verschillen een meer omkeerbare celchemie ten goede zullen komen, is nog een open vraag, maar enkele van de eerste rapporten over Na/S 8- en Na/O 2- cellen op kamertemperatuur laten al enkele opwindende verschillen zien in vergelijking met de gevestigde Li/S 8- en Li / O2 systemen.
Oplaadbare lithium-ionbatterijen (LIB's) zijn snel de belangrijkste vorm van energieopslag geworden voor alle mobiele toepassingen sinds hun commercialisering in het begin van de jaren negentig. Dit is voornamelijk te danken aan hun ongeëvenaarde energiedichtheid die andere oplaadbare batterijsystemen zoals metaalhydride of loodzuur gemakkelijk overtreft. De voortdurende behoefte om elektriciteit nog veiliger, compacter en betaalbaarder op te slaan, vereist echter voortdurend onderzoek en ontwikkeling.
De behoefte aan goedkope stationaire energieopslag is een extra uitdaging geworden, wat ook aanleiding geeft tot onderzoek naar alternatieve batterijen. Grote inspanningen zijn gericht op continue verbetering van de verschillende Li-ion-technologieën door bijvoorbeeld efficiëntere verpakking, verwerking, betere elektrolyten en geoptimaliseerde elektrodematerialen. Hoewel er de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang is geboekt met betrekking tot de vermogensdichtheid, was de toename van de energiedichtheid (volumetrisch en gravimetrisch) relatief klein. Een vergelijking van verschillende batterijtechnologieën met betrekking tot hun energiedichtheden wordt getoond in figuur 1.
Figuur 1: Theoretische en (geschatte) praktische energiedichtheden van verschillende oplaadbare batterijen: Pb-zuur – loodzuur, NiMH – nikkelmetaalhydride, Na-ion – schatting afgeleid van gegevens voor Li-ion uitgaande van een iets lagere celspanning, Li- ion - gemiddelde over verschillende types, HT-Na / S 8 - hoge temperatuur natrium-zwavel batterij, Li / S 8 en Na / S 8 - lithium-zwavel en natrium-zwavel batterij uitgaande Li2S en Na2S als afvoer producten, Li /O 2 en Na/O 2 – lithium-zuurstofbatterij (theoretische waarden omvatten het gewicht van zuurstof en zijn afhankelijk van de stoichiometrie van het aangenomen ontladingsproduct, dwz oxide, peroxide of superoxide). Houd er rekening mee dat de waarden voor praktische energiedichtheden grotendeels kunnen variëren, afhankelijk van het batterijontwerp (grootte, hoog vermogen, hoog energieverbruik, enkele cel of batterij) en de staat van ontwikkeling. Alle waarden voor praktische energiedichtheden hebben betrekking op het celniveau (behalve Pb-zuur, 12 V). De waarden voor de Li/S 8- en Li/O 2- batterijen zijn ontleend aan de literatuur (aangehaald in de hoofdtekst) en worden gebruikt om de energiedichtheden voor de Na/S 8- en Na/O 2- cellen te schatten. Van de bovengenoemde technologieën zijn tot nu toe alleen de loodzuur-, NiMH-, Li-ion- en hoge temperatuur Na/S 8- technologieën op de markt gebracht.
Referenties: