Corrida de química celular: sistemas de lítio vs sódio
| Jerry Huang
A pesquisa dedicada às baterias de lítio-enxofre (Li / S 8 ) e lítio-oxigênio (Li / O 2 ) em temperatura ambiente aumentou significativamente nos últimos dez anos. A corrida para desenvolver tais sistemas celulares é motivada principalmente pela densidade de energia teórica muito alta e pela abundância de enxofre e oxigênio. A química celular, no entanto, é complexa e o progresso em direção ao desenvolvimento de dispositivos práticos continua sendo dificultado por algumas questões fundamentais, que atualmente estão sendo abordadas por várias abordagens.
Surpreendentemente, não se sabe muito sobre os sistemas análogos de bateria à base de sódio, embora as baterias Na / S 8 e Na / NiCl 2 de alta temperatura já comercializadas sugiram que uma bateria recarregável à base de sódio é viável em grande escala. Além disso, a abundância natural de sódio é um atrativo benefício para o desenvolvimento de baterias baseadas em componentes de baixo custo.
Esta revisão fornece um resumo do conhecimento do estado da arte sobre baterias de lítio-enxofre e lítio-oxigênio e uma comparação direta com os sistemas análogos de sódio. As propriedades gerais, principais benefícios e desafios, estratégias recentes para melhorias de desempenho e diretrizes gerais para desenvolvimento futuro são resumidos e discutidos criticamente. Em geral, a substituição do lítio por sódio tem um forte impacto nas propriedades gerais da reação celular e podem ser esperadas diferenças no transporte de íons, estabilidade de fase, potencial do eletrodo, densidade de energia, etc.
Se essas diferenças irão beneficiar uma química celular mais reversível ainda é uma questão em aberto, mas alguns dos primeiros relatórios sobre as células Na / S 8 e Na / O 2 à temperatura ambiente já mostram algumas diferenças interessantes em comparação com o Li / S 8 e Sistemas Li / O 2.
As baterias recarregáveis de íons de lítio (LIBs) se tornaram rapidamente a forma mais importante de armazenamento de energia para todos os aplicativos móveis desde sua comercialização no início dos anos 1990. Isso se deve principalmente à sua densidade de energia incomparável, que facilmente supera outros sistemas de bateria recarregável, como metal-hidreto ou chumbo-ácido. No entanto, a necessidade contínua de armazenar eletricidade de forma ainda mais segura, compacta e acessível exige pesquisa e desenvolvimento contínuos.
A necessidade de armazenamento de energia estacionária de baixo custo tornou-se um desafio adicional, o que também desencadeia pesquisas sobre baterias alternativas. Os principais esforços são direcionados para melhorias contínuas das diferentes tecnologias de íons de lítio, por meio de embalagem e processamento mais eficientes, eletrólitos melhores e materiais de eletrodo otimizados, por exemplo. Embora progressos significativos tenham sido alcançados em relação à densidade de energia nos últimos anos, o aumento na densidade de energia (volumétrica e gravimetricamente) foi relativamente pequeno. Uma comparação de diferentes tecnologias de bateria em relação às suas densidades de energia é mostrada na Figura 1.
Figura 1: Densidades de energia teóricas e (estimadas) práticas de diferentes baterias recarregáveis: Pb-ácido - ácido de chumbo, NiMH - hidreto metálico de níquel, íon-Na - estimativa derivada de dados para íon-lítio assumindo uma tensão de célula ligeiramente mais baixa, Li- íon - média entre diferentes tipos, HT-Na / S 8 - bateria de sódio-enxofre de alta temperatura, Li / S 8 e Na / S 8 - bateria de lítio-enxofre e sódio-enxofre assumindo Li 2 S e Na2S como produtos de descarga, Li / O 2 e Na / O 2 - bateria de lítio-oxigênio (os valores teóricos incluem o peso do oxigênio e dependem da estequiometria do produto de descarga assumido, ou seja, óxido, peróxido ou superóxido). Observe que os valores para densidades de energia práticas podem variar amplamente dependendo do design da bateria (tamanho, alta potência, alta energia, célula única ou bateria) e do estado de desenvolvimento. Todos os valores para densidades de energia práticas referem-se ao nível da célula (exceto Pb-ácido, 12 V). Os valores das baterias Li / S 8 e Li / O 2 foram retirados da literatura (citados no texto principal) e são usados para estimar as densidades de energia das células Na / S 8 e Na / O 2. Das tecnologias acima, apenas as tecnologias de ácido de chumbo, NiMH, íon-lítio e Na / S 8 de alta temperatura foram comercializadas até o momento.
Referências: