Соревнования в области клеточной химии: литиевые против натриевых систем.
| Jerry Huang
За последние десять лет значительно активизировались исследования, посвященные литий-серным (Li/ S₈ ) и литий-кислородным (Li/ O₂ ) батареям, работающим при комнатной температуре. Стремление к разработке таких элементов питания в основном обусловлено очень высокой теоретической плотностью энергии и обилием серы и кислорода. Однако химия элементов питания сложна, и прогресс в разработке практических устройств по-прежнему сдерживается некоторыми фундаментальными проблемами, которые в настоящее время решаются с помощью многочисленных подходов.
Удивительно, но об аналогичных натриевых аккумуляторных системах известно немного, хотя уже коммерциализированные высокотемпературные батареи Na/ S₈ и Na/ NiCl₂ позволяют предположить, что создание перезаряжаемой батареи на основе натрия в больших масштабах вполне осуществимо. Более того, природная распространенность натрия является привлекательным преимуществом для разработки батарей на основе недорогих компонентов.
В данном обзоре представлено краткое изложение современного состояния знаний о литий-серных и литий-кислородных батареях, а также прямое сравнение с аналогичными натриевыми системами. Обобщены и критически рассмотрены общие свойства, основные преимущества и проблемы, последние стратегии повышения производительности и общие рекомендации для дальнейшего развития. В целом, замена натрия на литий оказывает сильное влияние на общие свойства реакции в ячейке, и поэтому можно ожидать различий в ионном транспорте, фазовой стабильности, электродном потенциале, плотности энергии и т.д.
Вопрос о том, будут ли эти различия способствовать созданию более обратимой химической структуры ячейки, остается открытым, но некоторые из первых сообщений о работе ячеек Na/S 8 и Na/O 2 при комнатной температуре уже демонстрируют некоторые интересные отличия по сравнению с устоявшимися системами Li/S 8 и Li/O 2 .
С момента своего появления на рынке в начале 1990-х годов перезаряжаемые литий-ионные батареи (ЛИБ) быстро стали важнейшим типом хранения энергии для всех мобильных приложений. Это в основном связано с их непревзойденной плотностью энергии, которая легко превосходит другие перезаряжаемые аккумуляторные системы, такие как металлогидридные или свинцово-кислотные. Однако постоянная потребность в еще более безопасном, компактном и доступном хранении электроэнергии требует непрерывных исследований и разработок.
Необходимость в недорогих стационарных системах хранения энергии стала дополнительной проблемой, что также стимулирует исследования альтернативных батарей. Основные усилия направлены на постоянное совершенствование различных литий-ионных технологий за счет более эффективной упаковки, обработки, улучшенных электролитов и оптимизированных электродных материалов, например. Хотя за последние годы был достигнут значительный прогресс в отношении удельной мощности, увеличение удельной энергии (в объемном и гравиметрическом выражении) было относительно небольшим. Сравнение различных технологий батарей по их удельной энергии представлено на рисунке 1.
Рисунок 1: Теоретическая и (оценочная) практическая плотность энергии различных перезаряжаемых батарей: Pb–кислотная – свинцово-кислотная, NiMH – никель-металлгидридная, Na-ионная – оценка, полученная на основе данных для Li-ионной батареи с учетом несколько более низкого напряжения элемента, Li-ионная – среднее значение по различным типам, HT-Na/S 8 – высокотемпературная натрий-серная батарея, Li/S 8 и Na/S 8 – литий-серная и натрий-серная батареи с учетом продуктов разряда Li 2 S и Na2S, Li/O 2 и Na/O 2 – литий-кислородная батарея (теоретические значения включают вес кислорода и зависят от стехиометрии предполагаемого продукта разряда, т. е. оксида, пероксида или супероксида). Следует отметить, что значения практической плотности энергии могут значительно варьироваться в зависимости от конструкции батареи (размер, высокая мощность, высокая энергия, отдельный элемент или батарея) и стадии разработки. Все значения практической плотности энергии относятся к ячейке (за исключением свинцово-кислотных, 12 В). Значения для литий- серных (Li/S) и литий- кислородных (Li/O) батарей взяты из литературы (цитируется в основном тексте) и используются для оценки плотности энергии для натрий-серных (Na/S ) и натрий-кислородных (Na/O ) ячеек. Из вышеперечисленных технологий на сегодняшний день коммерциализированы только свинцово-кислотные, никель-металлгидридные, литий-ионные и высокотемпературные натрий- серные (Na/S).
Ссылки: