Wyścig chemii komórkowej: układy litowo-sodowe
| Jerry Huang
Badania poświęcone bateriom litowo-siarkowym (Li/S 8 ) i litowo-tlenowym (Li/O 2 ) w temperaturze pokojowej znacznie wzrosły w ciągu ostatnich dziesięciu lat. Wyścig o opracowanie takich systemów komórkowych jest motywowany głównie bardzo wysoką teoretyczną gęstością energii oraz obfitością siarki i tlenu. Chemia komórek jest jednak złożona, a postęp w kierunku opracowywania praktycznych urządzeń nadal utrudniają pewne podstawowe kluczowe kwestie, którymi obecnie zajmuje się wiele podejść.
Co zaskakujące, niewiele wiadomo na temat analogicznych systemów akumulatorów sodowych, chociaż skomercjalizowane już wysokotemperaturowe akumulatory Na/S 8 i Na/NiCl 2 sugerują, że akumulator sodowy jest wykonalny na dużą skalę. Ponadto naturalna obfitość sodu jest atrakcyjną korzyścią dla rozwoju akumulatorów opartych na tanich komponentach.
Niniejszy przegląd stanowi podsumowanie aktualnej wiedzy na temat akumulatorów litowo-siarkowych i litowo-tlenowych oraz bezpośrednie porównanie z analogicznymi systemami sodowymi. Ogólne właściwości, główne korzyści i wyzwania, ostatnie strategie poprawy wydajności i ogólne wytyczne dotyczące dalszego rozwoju zostały podsumowane i poddane krytycznej dyskusji. Ogólnie rzecz biorąc, zastąpienie sodu litem ma silny wpływ na ogólne właściwości reakcji ogniwa i można się więc spodziewać różnic w transporcie jonów, stabilności faz, potencjale elektrody, gęstości energii itp.
To, czy te różnice przyniosą korzyść bardziej odwracalnej chemii ogniw, jest nadal kwestią otwartą, ale niektóre z pierwszych doniesień na temat ogniw Na/S 8 i Na/O 2 w temperaturze pokojowej już wykazują pewne ekscytujące różnice w porównaniu z ustalonymi Li/S 8 i li / O2 systemami.
Akumulatory litowo-jonowe (LIB) szybko stały się najważniejszą formą magazynowania energii dla wszystkich zastosowań mobilnych od czasu ich komercjalizacji na początku lat 90-tych. Wynika to głównie z ich niezrównanej gęstości energii, która z łatwością przewyższa inne systemy akumulatorów, takie jak metalowo-wodorkowe lub kwasowo-ołowiowe. Jednak ciągła potrzeba przechowywania energii elektrycznej w jeszcze bezpieczniejszy, bardziej kompaktowy i tańszy sposób wymaga ciągłych badań i rozwoju.
Dodatkowym wyzwaniem stała się potrzeba niedrogiego stacjonarnego magazynowania energii, co skłania również do badań nad akumulatorami alternatywnymi. Główne wysiłki skierowane są na ciągłe ulepszanie różnych technologii litowo-jonowych, na przykład poprzez wydajniejsze pakowanie, przetwarzanie, lepsze elektrolity i zoptymalizowane materiały elektrod. Chociaż w ostatnich latach osiągnięto znaczny postęp w zakresie gęstości mocy, wzrost gęstości energii (wolumetrycznej i grawimetrycznej) był stosunkowo niewielki. Porównanie różnych technologii akumulatorów pod względem ich gęstości energii pokazano na rysunku 1.
Rysunek 1: Teoretyczne i (szacunkowe) praktyczne gęstości energii różnych akumulatorów: Pb-kwas – kwas ołowiowy, NiMH – wodorek niklu, Na-ion – szacunkowa wyprowadzona z danych dla Li-ion przy założeniu nieco niższego napięcia ogniwa, Li- jonowa – średnia dla różnych typów, HT-Na/S 8 – wysokotemperaturowa bateria sodowo-siarkowa, Li/S 8 i Na/S 8 – bateria litowo-siarkowa i sodowo-siarkowa przyjmująca Li 2 S i Na2S jako produkty rozładowania, Li /O 2 i Na/O 2 – bateria litowo-tlenowa (wartości teoretyczne uwzględniają wagę tlenu i zależą od stechiometrii założonego produktu wyładowania tj. tlenku, nadtlenku lub ponadtlenku). Należy pamiętać, że wartości gęstości energii w praktyce mogą się znacznie różnić w zależności od konstrukcji akumulatora (rozmiar, wysoka moc, wysoka energia, jedno ogniwo lub akumulator) oraz stanu rozwoju. Wszystkie wartości gęstości energii praktycznej odnoszą się do poziomu ogniwa (z wyjątkiem kwasu ołowiowego, 12 V). Wartości dla akumulatorów Li/S 8 i Li/O 2 zostały zaczerpnięte z literatury (cytowane w tekście głównym) i służą do szacowania gęstości energii dla ogniw Na/S 8 i Na/O 2 . Spośród powyższych technologii do chwili obecnej skomercjalizowano tylko technologie kwasowo-ołowiowe, NiMH, Li-ion i wysokotemperaturowe Na/S 8 .
Bibliografia: