Hücre Kimyası Yarışı: Lityum vs Sodyum Sistemleri
| Jerry Huang
Oda sıcaklığındaki lityum-kükürt (Li/S 8 ) ve lityum-oksijen (Li/O 2 ) pillere yönelik araştırmalar son on yılda önemli ölçüde arttı. Bu tür hücre sistemlerini geliştirme yarışı, temel olarak çok yüksek teorik enerji yoğunluğu ve kükürt ve oksijen bolluğu tarafından motive edilir. Bununla birlikte, hücre kimyası karmaşıktır ve pratik cihaz geliştirmeye yönelik ilerleme, şu anda çok sayıda yaklaşımla ele alınan bazı temel kilit sorunlar tarafından engellenmeye devam etmektedir.
Halihazırda ticarileştirilmiş, yüksek sıcaklıklı Na/S 8 ve Na/NiCl 2 piller, sodyum bazlı yeniden şarj edilebilir bir pilin büyük ölçekte uygulanabilir olduğunu öne sürmesine rağmen, oldukça şaşırtıcı bir şekilde, benzer sodyum bazlı pil sistemleri hakkında pek bir şey bilinmiyor. Ayrıca, sodyumun doğal bolluğu, düşük maliyetli bileşenlere dayalı pillerin geliştirilmesi için çekici bir faydadır.
Bu derleme, lityum-kükürt ve lityum-oksijen piller hakkındaki en son bilgilerin bir özetini ve benzer sodyum sistemleriyle doğrudan bir karşılaştırmayı sağlar. Genel özellikler, başlıca faydalar ve zorluklar, performans iyileştirmeleri için son stratejiler ve daha fazla gelişme için genel yönergeler özetlenir ve eleştirel olarak tartışılır. Genel olarak, sodyumun lityumun ikamesi, hücre reaksiyonunun genel özellikleri üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir ve iyon taşınımı, faz stabilitesi, elektrot potansiyeli, enerji yoğunluğu, vb.'deki farklılıklar bu nedenle beklenebilir.
Bu farklılıkların daha tersine çevrilebilir bir hücre kimyasına fayda sağlayıp sağlayamayacağı hala açık bir sorudur, ancak oda sıcaklığındaki Na/S 8 ve Na/O 2 hücreleri hakkındaki ilk raporlardan bazıları, halihazırda kurulmuş Li/S 8 ve Na/O 2 hücreleri ile karşılaştırıldığında bazı heyecan verici farklılıklar göstermektedir. Li/O 2 sistemleri.
Yeniden şarj edilebilir lityum iyon piller (LIB'ler), 1990'ların başında ticarileşmelerinden bu yana tüm mobil uygulamalar için hızla en önemli enerji depolama biçimi haline geldi. Bunun temel nedeni, metal-hidrit veya kurşun-asit gibi diğer şarj edilebilir pil sistemlerini kolayca geride bırakan rakipsiz enerji yoğunluklarıdır. Bununla birlikte, elektriği daha güvenli, daha kompakt ve daha uygun fiyata depolamak için süregelen ihtiyaç, sürekli araştırma ve geliştirmeyi gerektirmektedir.
Ucuz sabit enerji depolama ihtiyacı, alternatif piller üzerine araştırmaları tetikleyen ek bir zorluk haline geldi. Büyük çabalar, örneğin daha verimli paketleme, işleme, daha iyi elektrolitler ve optimize edilmiş elektrot malzemeleri ile farklı Li-ion teknolojilerinin sürekli iyileştirilmesine yöneliktir. Son yıllarda güç yoğunluğu açısından önemli ilerlemeler kaydedilmesine rağmen, enerji yoğunluğundaki artış (hacimsel ve gravimetrik olarak) nispeten küçüktü. Farklı pil teknolojilerinin enerji yoğunluklarına göre bir karşılaştırması Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1: Farklı şarj edilebilir pillerin teorik ve (tahmini) pratik enerji yoğunlukları: Pb–asit – kurşun asit, NiMH – nikel metal hidrit, Na-ion – biraz daha düşük hücre voltajı varsayılarak Li-ion için verilerden elde edilen tahmin, Li- iyon – farklı tiplerde ortalama, HT-Na/S 8 – yüksek sıcaklıklı sodyum-kükürt pil, Li/S 8 ve Na/S 8 – deşarj ürünleri olarak Li 2 S ve Na2S olduğu varsayılarak lityum–kükürt ve sodyum–kükürt pil, Li /O 2 ve Na/O 2 – lityum-oksijen pil (teorik değerler oksijenin ağırlığını içerir ve varsayılan deşarj ürününün, yani oksit, peroksit veya süperoksitin stokiyometrisine bağlıdır). Pratik enerji yoğunlukları değerlerinin pil tasarımına (boyut, yüksek güç, yüksek enerji, tek hücre veya pil) ve geliştirme durumuna bağlı olarak büyük ölçüde değişebileceğini unutmayın. Pratik enerji yoğunlukları için tüm değerler hücre seviyesine atıfta bulunur (Pb–asit, 12 V hariç). Li/S 8 ve Li/O 2 pillerin değerleri literatürden alınmıştır (ana metinde belirtilmiştir) ve Na/S 8 ve Na/O 2 hücrelerinin enerji yoğunluklarını tahmin etmek için kullanılır. Yukarıdaki teknolojilerden bugüne kadar yalnızca kurşun asit, NiMH, Li-ion ve yüksek sıcaklık Na/S 8 teknolojileri ticarileştirilmiştir.
Referanslar: