การแข่งขันเคมีของเซลล์: ระบบลิเธียมกับโซเดียม
| Jerry Huang
การวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์ (Li/S 8 ) และลิเธียม-ออกซิเจน (Li/O 2 ) ที่อุณหภูมิห้องเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงสิบปีที่ผ่านมา การแข่งขันเพื่อพัฒนาระบบเซลล์ดังกล่าวมีแรงจูงใจหลักจากความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎีที่สูงมาก และความอุดมสมบูรณ์ของกำมะถันและออกซิเจน อย่างไรก็ตาม เคมีของเซลล์มีความซับซ้อน และความก้าวหน้าไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงยังคงถูกขัดขวางโดยประเด็นสำคัญพื้นฐานบางประการ ซึ่งขณะนี้กำลังได้รับการแก้ไขด้วยวิธีการต่างๆ มากมาย
ค่อนข้างน่าประหลาดใจที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักเกี่ยวกับระบบแบตเตอรี่แบบโซเดียมที่คล้ายคลึงกัน แม้ว่าแบตเตอรี่ Na/S 8 และ Na/NiCl 2 ที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งมีการค้าขายอยู่แล้วและแนะนำว่าแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ซึ่งใช้โซเดียมนั้นมีความเป็นไปได้ในขนาดใหญ่ นอกจากนี้ โซเดียมที่มีอยู่อย่างมากมายยังมีประโยชน์ที่น่าสนใจสำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่โดยใช้ส่วนประกอบที่มีต้นทุนต่ำ
การทบทวนนี้ให้ข้อมูลสรุปความรู้ล้ำสมัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์และลิเธียม-ออกซิเจน และการเปรียบเทียบโดยตรงกับระบบโซเดียมที่คล้ายคลึงกัน คุณสมบัติทั่วไป ประโยชน์และความท้าทายที่สำคัญ กลยุทธ์ล่าสุดสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพ และแนวทางทั่วไปสำหรับการพัฒนาต่อไปได้สรุปและอภิปรายอย่างมีวิจารณญาณ โดยทั่วไป การแทนที่ลิเธียมสำหรับโซเดียมมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติโดยรวมของปฏิกิริยาของเซลล์ และความแตกต่างในการขนส่งไอออน ความคงตัวของเฟส ศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรด ความหนาแน่นของพลังงาน ฯลฯ จึงสามารถคาดหวังได้
ความแตกต่างเหล่านี้จะเป็นประโยชน์ต่อคุณสมบัติทางเคมีของเซลล์แบบย้อนกลับได้หรือไม่ยังคงเป็นคำถามเปิดอยู่ แต่รายงานแรกๆ เกี่ยวกับ เซลล์ Na/S 8 และ Na/O 2 อุณหภูมิห้องแสดงความแตกต่างที่น่าตื่นเต้นเมื่อเปรียบเทียบกับ Li/S 8 และ หลี่ / O 2 ระบบ
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จไฟได้ (LIB) ได้กลายเป็นรูปแบบการจัดเก็บพลังงานที่สำคัญที่สุดอย่างรวดเร็วสำหรับแอปพลิเคชันมือถือทั้งหมด นับตั้งแต่มีการนำออกใช้เชิงพาณิชย์ในต้นปี 1990 สาเหตุหลักมาจากความหนาแน่นของพลังงานที่ไม่มีใครเทียบได้ ซึ่งเหนือกว่าระบบแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้อื่นๆ เช่น เมทัล-ไฮไดรด์หรือกรดตะกั่ว-กรด อย่างไรก็ตาม ความจำเป็นอย่างต่อเนื่องในการจัดเก็บไฟฟ้าให้ปลอดภัยยิ่งขึ้น กระทัดรัดยิ่งขึ้น และมีราคาจับต้องได้ จำเป็นต้องมีการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง
ความจำเป็นในการจัดเก็บพลังงานแบบอยู่กับที่ในราคาไม่แพงได้กลายเป็นความท้าทายเพิ่มเติม ซึ่งทำให้เกิดการวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ทางเลือก ความพยายามหลักมุ่งไปสู่การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยี Li-ion ต่างๆ โดยการบรรจุที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น การแปรรูป อิเล็กโทรไลต์ที่ดีขึ้น และวัสดุอิเล็กโทรดที่ปรับให้เหมาะสม เป็นต้น แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างมีนัยสำคัญในแง่ของความหนาแน่นของพลังงานในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แต่ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้น (เชิงปริมาตรและกราวิเมตริก) นั้นค่อนข้างเล็ก การเปรียบเทียบเทคโนโลยีแบตเตอรี่ต่างๆ เกี่ยวกับความหนาแน่นของพลังงานแสดงไว้ในรูปที่ 1
รูปที่ 1: ความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎีและ (โดยประมาณ) ในทางปฏิบัติของแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ต่างๆ: Pb–acid – lead acid, NiMH – nickel metal hydride, Na-ion – ค่าประมาณที่ได้มาจากข้อมูลของ Li-ion โดยสมมติว่ามีแรงดันเซลล์ที่ต่ำกว่าเล็กน้อย Li- ไอออน – เฉลี่ยเหนือประเภทที่แตกต่างกัน HT-Na/S 8 – แบตเตอรี่โซเดียม–กำมะถันอุณหภูมิสูง, Li/S 8 และ Na/S 8 – แบตเตอรี่ลิเธียม–ซัลเฟอร์และโซเดียม–กำมะถัน โดยถือว่า Li 2 S และ Na2S เป็นผลิตภัณฑ์การปลดปล่อย, Li /O 2 และ Na/O 2 – แบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจน (ค่าทางทฤษฎีรวมถึงน้ำหนักของออกซิเจนและขึ้นอยู่กับปริมาณสัมพันธ์ของผลิตภัณฑ์ที่มีการปลดปล่อยออกมา เช่น ออกไซด์ เปอร์ออกไซด์ หรือซูเปอร์ออกไซด์) โปรดทราบว่าค่าความหนาแน่นของพลังงานที่ใช้งานได้จริงอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการออกแบบแบตเตอรี่ (ขนาด กำลังสูง พลังงานสูง เซลล์เดียว หรือแบตเตอรี่) และสถานะของการพัฒนา ค่าความหนาแน่นของพลังงานที่ใช้ได้จริงทั้งหมดอ้างอิงถึงระดับเซลล์ (ยกเว้น Pb–acid, 12 V) ค่าของแบตเตอรี่ Li/S 8 และ Li/O 2 ถูกนำมาจากเอกสาร (อ้างถึงในข้อความหลัก) และใช้เพื่อประเมินความหนาแน่นของพลังงานสำหรับเซลล์ Na/S 8 และ Na/O 2 จากเทคโนโลยีข้างต้น มีเพียงเทคโนโลยีตะกั่วกรด NiMH, Li-ion และ Na/S 8 ที่ มีอุณหภูมิสูงเท่านั้นที่จำหน่ายในเชิงพาณิชย์จนถึงปัจจุบัน
ข้อมูลอ้างอิง: