Cell Chemistry Race: Litium vs Sodium Systems
| Jerry Huang
Forskning som ägnas åt rumstempererade litium-svavel- (Li/S 8 ) och litium-syre- (Li/O 2 )-batterier har ökat markant under de senaste tio åren. Kapplöpet att utveckla sådana cellsystem är främst motiverat av den mycket höga teoretiska energitätheten och överflöd av svavel och syre. Cellkemin är dock komplex, och framstegen mot praktisk enhetsutveckling försvåras av några grundläggande nyckelfrågor, som för närvarande hanteras av många tillvägagångssätt.
Helt överraskande är inte mycket känt om de analoga natriumbaserade batterisystemen, även om de redan kommersialiserade, högtemperatur Na/S 8 och Na/NiCl 2 batterierna tyder på att ett uppladdningsbart batteri baserat på natrium är genomförbart i stor skala. Dessutom är det naturliga överflödet av natrium en attraktiv fördel för utvecklingen av batterier baserade på lågkostnadskomponenter.
Denna recension ger en sammanfattning av den senaste kunskapen om litium-svavel- och litium-syre-batterier och en direkt jämförelse med de analoga natriumsystemen. De allmänna egenskaperna, stora fördelar och utmaningar, nyare strategier för prestationsförbättringar och allmänna riktlinjer för vidareutveckling sammanfattas och diskuteras kritiskt. Generellt sett har ersättningen av litium mot natrium en stark inverkan på cellreaktionens övergripande egenskaper och skillnader i jontransport, fasstabilitet, elektrodpotential, energitäthet etc. kan således förväntas.
Huruvida dessa skillnader kommer att gynna en mer reversibel cellkemi är fortfarande en öppen fråga, men några av de första rapporterna om rumstemperatur Na/S 8 och Na/O 2 celler visar redan några spännande skillnader jämfört med de etablerade Li/S 8 och Li/O 2 system.
Uppladdningsbara litiumjonbatterier (LIB) har snabbt blivit den viktigaste formen av energilagring för alla mobila applikationer sedan de lanserades i början av 1990-talet. Detta beror främst på deras oöverträffade energitäthet som lätt överträffar andra uppladdningsbara batterisystem som metallhydrid eller blysyra. Men det pågående behovet av att lagra el ännu säkrare, mer kompakt och mer överkomligt kräver kontinuerlig forskning och utveckling.
Behovet av billig stationär energilagring har blivit en extra utmaning, vilket också sätter igång forskning om alternativa batterier. Stora ansträngningar riktas mot ständiga förbättringar av de olika Li-ion-teknologierna genom till exempel effektivare förpackning, bearbetning, bättre elektrolyter och optimerade elektrodmaterial. Även om betydande framsteg har uppnåtts med avseende på effekttätheten under de senaste åren, var ökningen av energitätheten (volumetriskt och gravimetriskt) relativt liten. En jämförelse av olika batteriteknologier med avseende på deras energidensiteter visas i figur 1.
Figur 1: Teoretiska och (uppskattade) praktiska energitätheter för olika uppladdningsbara batterier: Pb–syra – blysyra, NiMH – nickelmetallhydrid, Na-jon – uppskattning härledd från data för Li-jon med antagande av en något lägre cellspänning, Li- jon – medel över olika typer, HT-Na/S 8 – högtemperatur natrium-svavelbatteri, Li/S 8 och Na/S 8 – litium-svavel- och natrium-svavelbatteri med antagande av Li 2 S och Na2S som urladdningsprodukter, Li /O 2 och Na/O 2 – litium-syrebatteri (teoretiska värden inkluderar vikten av syre och beror på stökiometrin hos den antagna urladdningsprodukten, dvs. oxid, peroxid eller superoxid). Observera att värdena för praktiska energitätheter till stor del kan variera beroende på batteridesign (storlek, hög effekt, hög energi, encell eller batteri) och utvecklingsläget. Alla värden för praktiska energitätheter avser cellnivån (utom Pb–syra, 12 V). Värdena för Li/S 8- och Li/O 2- batterierna togs från litteraturen (citerad i huvudtexten) och används för att uppskatta energidensiteterna för Na/S 8- och Na/O 2- cellerna. Av ovanstående teknologier har endast blysyra-, NiMH-, Li-jon- och högtemperatur Na/S 8- teknologier kommersialiserats hittills.
Referenser: