Cuộc đua hóa học tế bào: Hệ thống Lithi vs Natri
| Jerry Huang
Nghiên cứu dành cho pin lithium-sulfur (Li / S 8 ) và lithium-oxy (Li / O 2 ) ở nhiệt độ phòng đã tăng lên đáng kể trong mười năm qua. Cuộc chạy đua để phát triển các hệ thống tế bào như vậy chủ yếu được thúc đẩy bởi mật độ năng lượng lý thuyết rất cao và sự phong phú của lưu huỳnh và oxy. Tuy nhiên, hóa học tế bào rất phức tạp và tiến trình phát triển thiết bị thực tế vẫn bị cản trở bởi một số vấn đề chính cơ bản, hiện đang được giải quyết bằng nhiều cách tiếp cận.
Khá ngạc nhiên là không có nhiều thông tin về các hệ thống pin tương tự dựa trên natri, mặc dù pin Na / S 8 và Na / NiCl 2 nhiệt độ cao đã được thương mại hóa cho thấy rằng một loại pin có thể sạc lại dựa trên natri là khả thi trên quy mô lớn. Hơn nữa, lượng natri dồi dào tự nhiên là một lợi ích hấp dẫn cho sự phát triển của pin dựa trên các thành phần chi phí thấp.
Bài đánh giá này cung cấp bản tóm tắt kiến thức hiện đại về pin lithium – lưu huỳnh và lithium – oxy và so sánh trực tiếp với các hệ thống natri tương tự. Các đặc tính chung, các lợi ích và thách thức chính, các chiến lược gần đây để cải thiện hiệu suất và các hướng dẫn chung để phát triển thêm được tóm tắt và thảo luận nghiêm túc. Nói chung, sự thay thế liti cho natri có tác động mạnh mẽ đến các đặc tính tổng thể của phản ứng tế bào và sự khác biệt về vận chuyển ion, độ ổn định pha, thế điện cực, mật độ năng lượng, v.v. có thể được mong đợi.
Liệu những khác biệt này có mang lại lợi ích cho quá trình hóa học tế bào thuận nghịch hơn hay không vẫn còn là một câu hỏi bỏ ngỏ, nhưng một số báo cáo đầu tiên về nhiệt độ phòng của tế bào Na / S 8 và Na / O 2 đã cho thấy một số khác biệt thú vị so với Li / S 8 đã được thiết lập và Hệ thống Li / O 2.
Pin lithium-ion có thể sạc lại (LIB) đã nhanh chóng trở thành hình thức lưu trữ năng lượng quan trọng nhất cho tất cả các ứng dụng di động kể từ khi được thương mại hóa vào đầu những năm 1990. Điều này chủ yếu là do mật độ năng lượng vô song của chúng, dễ dàng vượt qua các hệ thống pin có thể sạc lại khác như metal – hydride hoặc chì – acid. Tuy nhiên, nhu cầu lưu trữ điện an toàn hơn, nhỏ gọn hơn và chi phí hợp lý hơn đòi hỏi phải liên tục nghiên cứu và phát triển.
Nhu cầu lưu trữ năng lượng cố định rẻ tiền đã trở thành một thách thức bổ sung, điều này cũng kích hoạt các nghiên cứu về pin thay thế. Ví dụ, những nỗ lực chính hướng tới việc cải tiến liên tục các công nghệ Li-ion khác nhau bằng cách đóng gói, xử lý hiệu quả hơn, chất điện phân tốt hơn và vật liệu điện cực được tối ưu hóa. Mặc dù đã đạt được những tiến bộ đáng kể về mật độ công suất trong những năm qua, nhưng sự gia tăng về mật độ năng lượng (về mặt thể tích và trọng lượng) là tương đối nhỏ. So sánh các công nghệ pin khác nhau về mật độ năng lượng của chúng được thể hiện trong Hình 1.
Hình 1: Mật độ năng lượng lý thuyết và (ước tính) thực tế của các loại pin có thể sạc lại khác nhau: Pb – axit - axit chì, NiMH - hyđrua kim loại niken, Na-ion - ước tính thu được từ dữ liệu cho Li-ion giả sử điện áp pin thấp hơn một chút, Li- ion - trung bình so với các loại khác nhau, HT-Na / S 8 - pin natri – lưu huỳnh nhiệt độ cao, Li / S 8 và Na / S 8 - pin lithium – lưu huỳnh và natri – lưu huỳnh giả sử Li 2 S và Na2S là sản phẩm phóng điện, Li / O 2 và Na / O 2 - pin lithium-oxy (giá trị lý thuyết bao gồm trọng lượng của oxy và phụ thuộc vào phép đo mẫu của sản phẩm phóng điện giả định, tức là oxit, peroxit hoặc superoxit). Lưu ý rằng các giá trị cho mật độ năng lượng thực tế có thể thay đổi phần lớn tùy thuộc vào thiết kế pin (kích thước, công suất cao, năng lượng cao, một tế bào hoặc pin) và trạng thái phát triển. Tất cả các giá trị cho mật độ năng lượng thực tế đều quy về mức tế bào (ngoại trừ Pb – axit, 12 V). Các giá trị cho pin Li / S 8 và Li / O 2 được lấy từ tài liệu (trích dẫn trong văn bản chính) và được sử dụng để ước tính mật độ năng lượng cho các tế bào Na / S 8 và Na / O 2. Trong số các công nghệ trên, chỉ có công nghệ axit chì, NiMH, Li-ion và Na / S 8 nhiệt độ cao là đã được thương mại hóa cho đến nay.
Người giới thiệu: