ملخص
في مجال تخزين الطاقة سريع التطور, المنافسة بين بطارية ليثيوم الكبريت (لي-S) والليثيوم أيون (لي ايون) وقد اجتذبت البطاريات اهتماما كبيرا, قيادة استكشاف حلول الجيل القادم. تهدف هذه المقالة إلى الكشف عن إمكانات كليهما من خلال عرض الكيمياء الأساسية الخاصة بهما, خصائص الأداء, والتطبيقات العملية.
من خلال الخوض في المشهد التنافسي بين بطاريات الليثيوم الكبريت وبطاريات الليثيوم أيون, ونحن نهدف إلى التأكيد على التأثير المحتمل لهذه التقنيات على إعادة تشكيل صناعة تخزين الطاقة.
على سبيل المثال, السيارة الكهربائية (إيف) الصناعة على وشك الخضوع لتغيرات كبيرة, وتحتل بطاريات الليثيوم والكبريت مكانة رائدة.
ومن المتوقع أن تعيد هذه البطاريات الكهروكيميائية المبتكرة تعريف مستقبل سوق تخزين الطاقة من خلال توفير مزايا فريدة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية.. في هذه المقالة, سنستكشف المزايا الرئيسية لبطاريات الليثيوم الكبريت مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون, وكيف تقودنا هذه التطورات نحو استخدام أنظف وأكثر استدامة.
جدول المحتويات
ما هي بطارية ليثيوم الكبريت?
الكبريت غير مكلف ومتوفر بكثرة في الاحتياطيات, ويوجد بكميات كبيرة على الأرض. وخاصة في عملية تكرير النفط والغاز الطبيعي, غالبًا ما تتراكم كميات كبيرة من عناصر الكبريت الأصفر خارج محطات الوقود الأحفوري.
للعلماء الذين يدرسون كيفية توليد التفاعلات الكيميائية للكهرباء, لطالما اعتبر الكبريت مادة جذابة للغاية لتخزين الطاقة. وذلك لأن مزيج الليثيوم والكبريت لديه القدرة على إنشاء بطارية ممتازة لا يمكنها فقط تخزين المزيد من الطاقة, ولكنها أيضًا أكثر فعالية من حيث التكلفة من بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة حاليًا في بعض السيناريوهات.
بطارية ليثيوم الكبريت هي بطارية قابلة لإعادة الشحن تستخدم الليثيوم كالأنود والكبريت كالكاثود. بالمقارنة مع البطاريات الأخرى, تشتهر بطاريات الليثيوم والكبريت بكثافة الطاقة العالية وإمكانات التكلفة المنخفضة. أثناء عملية التفريغ, تتفاعل أيونات الليثيوم الموجودة في الأنود مع الكبريت الموجود في الكاثود لتوليد كبريتيد الليثيوم وإطلاق الإلكترونات. عند الشحن, سيتم عكس هذه العملية, مما يسمح بشحن البطارية واستخدامها بشكل متكرر.
ما هي بطارية ليثيوم أيون?
تعد بطاريات الليثيوم أيون أيضًا نوعًا شائعًا من البطاريات القابلة لإعادة الشحن.
يقوم بتخزين وإطلاق الطاقة من خلال حركة أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود. أثناء عملية التفريغ, تنتقل أيونات الليثيوم من أنود الجرافيت عبر الإلكتروليت إلى كاثود أكسيد المعدن الذي يتكون عادة من الكوبالت, النيكل, أو المنغنيز, توليد تيار كهربائي. وأثناء الشحن, سيتم عكس هذه العملية.
تنقسم بطاريات الليثيوم أيون إلى بطاريات ليثيوم أيون صلبة وبطاريات ليثيوم أيون سائلة بناءً على شكلها المنحل بالكهرباء.. وتركيبه الكيميائي أيون الليثيوم مختلف, وهي مقسمة إلى أنواع عديدة من البطاريات.
للحصول على معلومات مفصلة عن الفئات, يرجى الرجوع إلى هذه المقالة: 6 الأنواع الكيميائية لبطاريات الليثيوم أيون التي يمكنك الاختيار من بينها.
تحظى بطاريات الليثيوم أيون بشعبية كبيرة نظرًا لخصائصها الذاتية الممتازة مثل كثافة الطاقة العالية, دورة حياة طويلة, وخفيفة الوزن نسبيا. لقد أصبحوا الخيار المفضل للسيارات الكهربائية (إيف) البطاريات ومصدر طاقة مهم لمعدات التكنولوجيا الحديثة ومركبات النقل.
بطارية ليثيوم الكبريت وبطارية ليثيوم أيون —— ما هي الاختلافات بينهما
عند مقارنة بطاريات الليثيوم الكبريت و بطاريات الليثيوم أيون, سيكون هناك بعض الاختلافات في جوانب مختلفة. تعتمد المقارنة التالية على دراسة شاملة للحالة الراهنة للتطور التكنولوجي ونتائج البحوث الجارية.
ما هي مميزات بطاريات الليثيوم الكبريت?
كثافة طاقة أعلى : كثافة الطاقة لبطاريات Li-S أعلى بكثير من بطاريات الليثيوم أيون, تصل إلى 500 واط/كجم, وهو ما يعادل حوالي خمسة أضعاف بطاريات الليثيوم أيون التقليدية.
أكثر اقتصادا : كما ذكرنا سابقا, الأرض لديها احتياطيات وفيرة من الكبريت, مما يجعل سعر المواد الخام الكبريتية منخفضًا جدًا. لذلك, على المدى البعيد, تتمتع بطاريات الليثيوم والكبريت بإمكانات فعالية أعلى من حيث التكلفة.
فائدة بيئية : الكبريت مادة غير سامة, وتعد بطاريات الليثيوم والكبريت صديقة للبيئة أكثر من بطاريات الليثيوم التي قد تستخدم معادن ثقيلة في المنحل بالكهرباء.
ما هي عيوب بطارية الليثيوم الكبريت?
عدد أقل من الدورات : سوف يذوب Polysulfides في المنحل بالكهرباء, مما تسبب في انخفاض قدرة بطاريات الليثيوم الكبريت تدريجيا, مما أدى إلى دورة حياة قصيرة نسبيا.
الموصلية الضعيفة : موصلية الكبريت ومنتجات تفريغه ضعيفة, لذلك يجب إضافة إضافات موصلة لتحسين الموصلية. سيشغل هذا بعض مساحة التصميم, وبالتالي تقليل كثافة الطاقة الإجمالية للبطارية.
توسيع الحجم : أثناء دورة الشحن والتفريغ, سوف يتغير حجم بطارية الليثيوم الكبريت بشكل ملحوظ, بحد أقصى 80%. قد يؤدي هذا التغيير الكبير في الحجم إلى انخفاض الأداء الميكانيكي للبطارية, مما يؤثر على استقراره وعمره.
ما هي مميزات بطاريات الليثيوم أيون؟?
عمر خدمة أطول : تتمتع بطاريات الليثيوم أيون عادةً بدورة حياة طويلة ويمكن أن تخضع لآلاف دورات تفريغ الشحنة قبل أن يتراجع أدائها بشكل ملحوظ. تتميز بطاريات الليثيوم أيون بقدر أكبر من الاستقرار والموثوقية على المدى الطويل.
كفاءة أعلى : الكفاءة الكولومبية لبطاريات الليثيوم أيون عالية جدًا, حتى تصل إلى 99%, مما يعني أن هناك القليل جدًا من فقدان الطاقة أثناء عملية الشحن والتفريغ. تضمن كفاءة Coulombic العالية أن يكون تحويل الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون أكثر كفاءة أثناء الاستخدام.
الجهد مستقر : يمكن لبطاريات الليثيوم أيون توفير جهد تفريغ ثابت, وهو أمر بالغ الأهمية للتشغيل العادي للأجهزة الإلكترونية.
يمكن أن يضمن خرج الجهد المستقر أداءً ثابتًا للجهاز أثناء الاستخدام, تجنب التشوهات الوظيفية أو الأضرار الناجمة عن تقلبات الجهد.
ما هي عيوب بطاريات الليثيوم أيون?
التكلفة العالية : تعد بطاريات الليثيوم أيون باهظة الثمن نسبيًا لأنها تستخدم مواد باهظة الثمن مثل الكوبالت. لكن, يتم إعاقة بطاريات الليثيوم أيون الحالية بسبب محدودية إمدادات النيكل.
يعد الكوبالت مكونًا رئيسيًا آخر لبطاريات الليثيوم أيون اليوم, يتم إنتاجه بشكل رئيسي في جمهورية الكونغو الديمقراطية, حيث تعاني مناجم الكوبالت من قضايا حقوق الإنسان. وكانت هناك دعوات لوقف هذا التعدين.
المخاطر الأمنية : إذا كانت البطارية تالفة أو مشحونة بشكل غير صحيح, قد يزيد من خطر نشوب حريق بسبب قابلية الاشتعال بالكهرباء. مخاطر السلامة لبطاريات الليثيوم أيون أعلى بكثير من بطاريات الرصاص الحمضية, وخاصة في الطقس ارتفاع درجة الحرارة.
التأثير البيئي : لليثيوم والكوبالت تأثيرات بيئية وأخلاقية أثناء استخراج هذين العنصرين ومعالجتهما. أولاً, فقد تسبب ضررًا للنظام البيئي أثناء التعدين, وثانيا, قد يتم إطلاق مواد كيميائية ضارة أثناء المعالجة.
فضلاً عن ذلك, قد لا تتوافق ظروف العمل المعنية مع معايير العمل الدولية, التسبب في قضايا أخلاقية كبيرة.
بطاريات ليثيوم الكبريت وبطاريات الليثيوم أيون – مقارنة شاملة
كثافة الطاقة النظرية لبطاريات Li-S (500واط/كجم) أعلى من بطاريات الليثيوم أيون (150-250واط/كجم), مما يجعلها أكثر قوة في التطبيقات التي تتطلب تخزينًا عالي الطاقة.
إن وفرة الكبريت وتكلفته المنخفضة يمكن أن تجعل بطاريات الليثيوم الكبريتية أرخص بكثير من حزم بطاريات الليثيوم أيون الحالية, وتقليل الاعتماد على المجالات الإشكالية, لذا فإن بطاريات الليثيوم والكبريت عادة ما تكون أرخص. في المقابل, بطاريات الليثيوم أيون أكثر تكلفة.
عمر خدمة بطاريات الليثيوم أيون طويل نسبيًا, تتجاوز عادة 1000 دورات. يؤدي انحلال كبريتيدات الليثيوم وتحلل كاثودات الكبريت أثناء دورات الشحن والتفريغ المتكررة إلى تدهور القدرة, مما يؤدي إلى عمر أقصر لبطاريات الليثيوم الكبريت.
إلكتروليتات بطارية الليثيوم أيون قابلة للاشتعال وقد تشكل خطرًا. الكبريت غير قابل للاشتعال وله سمية منخفضة. بعد المعالجة الفنية, لا يزال بإمكانها إنتاج الكبريت غير السام. تعتبر بطاريات الليثيوم والكبريت بشكل عام أكثر أمانًا وصديقة للبيئة.
مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون, تتميز بطاريات الليثيوم الكبريتية بمعدل تفريغ ذاتي أقل, مما يعني أنها يمكن أن تحتفظ بالطاقة المخزنة لفترة أطول من الزمن. في المقابل, تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بدورة حياة أطول وكثافة طاقة فعلية أعلى.
مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون, لا تزال تكنولوجيا بطاريات الليثيوم والكبريت في المراحل الأولى من التطوير. التغلب على التحديات التقنية المتعلقة باستقرار كاثود الكبريت, توافق المنحل بالكهرباء, والأداء العام أمر بالغ الأهمية للتطبيقات واسعة النطاق.
على الرغم من أنها لا تزال في مرحلة البحث والتطوير, أظهرت بطاريات الليثيوم والكبريت إمكاناتها في التطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة أعلى, مثل السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة على نطاق الشبكة, مع مزايا الوزن الخفيف والفعالية من حيث التكلفة.
كيفية الاختيار الأفضل بين بطاريات الليثيوم الكبريت وبطاريات الليثيوم أيون?
يعتمد الاختيار بين بطاريات الليثيوم الكبريت وبطاريات الليثيوم أيون على الاحتياجات والقيود المحددة لتطبيقك.
على سبيل المثال, في متطلبات التطبيق, مع الأخذ في الاعتبار كثافة الطاقة العالية للمنتج: قد تكون بطاريات Li-S أكثر ملاءمة لتطبيقات مثل السيارات الكهربائية أو الفضاء الجوي, لأن كثافة الطاقة العالية أمر بالغ الأهمية.
إذا كنت بحاجة إلى بطاريات طويلة الأمد, مثل الإلكترونيات الاستهلاكية أو تخزين الشبكة, إذن تعتبر بطاريات الليثيوم أيون خيارًا أفضل لأنها تتمتع بدورة حياة أطول.
إذا كانت التكلفة هي الاعتبار الأول, ثم مقارنتها بالمعادن المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون, الكبريت لديه تكلفة أقل, لذلك قد تكون بطاريات الليثيوم والكبريت أكثر جاذبية بالنسبة لك. في نفس الوقت, التكلفة الإجمالية للملكية, بما في ذلك تكلفة استبدال البطارية, يحتاج أيضا إلى النظر فيها.
إذا أعطيت الأولوية للحد من التأثير البيئي والسلامة: للتطبيقات الهامة للسلامة مثل الأجهزة الطبية أو الأجهزة الإلكترونية المحمولة, الخصائص غير القابلة للاحتراق للكبريت في بطاريات الليثيوم الكبريت لها مزايا.
فضلاً عن ذلك, توفر بطاريات الليثيوم أيون عادةً جهدًا أكثر استقرارًا وكفاءة أعلى, مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب خرج طاقة ثابتًا. للتطبيقات ذات متطلبات التحميل العالية, مثل الأدوات الكهربائية أو السيارات الكهربائية, تتمتع متانة وكفاءة بطاريات الليثيوم أيون بمزايا كبيرة.
خاتمة
في ملخص, كبريت الليثيوم (لي-S) يوفر منتج بطارية جذابًا لبدائل بطاريات الليثيوم أيون التقليدية نظرًا لكثافة الطاقة الممتازة التي تتمتع بها, كفاءة خفيفة الوزن, تخفيض التكلفة, وإمكانية الشحن السريع. على سبيل المثال, في سوق البطاريات مثل السيارات الكهربائية, كما أن لديها مزايا معينة في البطاريات الخاصة بها, والتي من المتوقع أن تحدث ثورة في مجال السيارات الكهربائية.
تكمن آفاق LiSB في كثافة الطاقة المذهلة والكبريت – مادة أكثر وفرة وأقل إشكالية مقارنة بالمعادن المستخدمة حاليًا في LIBs. مع التقدم المستمر في البحث والتطوير في هذا المجال, بطاريات الليثيوم والكبريت تمضي قدما.
أدى التقدم في تكنولوجيا البطاريات إلى تفضيل إمكانات بطاريات Li-S بشكل متزايد كنظام تخزين طاقة عالي الأداء. أن تصبح منافسًا قويًا محتملاً في سوق بطاريات الليثيوم أيون. على الرغم من وضوح بعض المشكلات المهمة المتعلقة ببطاريات الليثيوم والكبريت, وقد تم تحقيق إنجازات تكنولوجية جديدة في معالجة هذه المشاكل, مثل نانوي الأغشية وهياكل القطب الكهربائي المبتكرة. مع كهربة المجتمع الحالية, مسار تطوير LiSB واضح: تطوير البحوث, التغلب على الحواجز التكنولوجية, وتوسيع نطاق الإنتاج لدخول السوق الشامل. يمكن القول أن بطارية ليثيوم الكبريت لها مستقبل واعد.
أسئلة مكررة
كم من الوقت يمكن أن تستمر بطاريات الليثيوم الكبريت?
يمكن أن تخضع بطاريات Li-S عادةً لحوالي 300-500 دورات تفريغ الشحنة, وبعد ذلك ستنخفض القدرة بشكل ملحوظ. لذا فإن عمرها عادة ما يكون أقصر من عمر أيون الليثيوم (لي ايون) البطاريات. ويرجع ذلك أساسًا إلى انحلال الكبريتيدات المتعددة وما ينتج عن ذلك من فقدان المواد الفعالة. في الوقت الحالي, الاتجاه الرئيسي للبحث هو أيضًا كيفية تحسين عمر خدمة بطاريات الليثيوم الكبريتية.
هل بطارية الليثيوم الكبريت قابلة للاشتعال؟?
تعتبر بطاريات الليثيوم الكبريت بشكل عام أكثر أمانًا وأقل قابلية للاشتعال من بطاريات الليثيوم أيون. وذلك لأن الكبريت غير قابل للاشتعال وله تفاعلية أقل من أكاسيد المعادن المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون.
لكن, لا تزال الإلكتروليتات والمواد الأخرى المستخدمة في هيكل بطاريات الليثيوم الكبريتية تؤثر على سلامتها. ويمكن فهم هذا أيضًا. لتوليد تفاعل كيميائي, شروط معينة مطلوبة, والتفاعل يولد الطاقة. طالما يتم استخدامه بشكل معقول, يمكن تجنب المخاطر.
هل يمكن تسويق بطاريات الليثيوم الكبريتية؟?
بالتأكيد, ولكن في الوقت الحالي لم يتم استخدام بطاريات الليثيوم الكبريتية على نطاق واسع تجاريًا.
على الرغم من أن بطاريات الليثيوم والكبريت تتمتع بآفاق كبيرة بسبب كثافة الطاقة العالية ومزايا التكلفة, فهم ما زالوا في مرحلة البحث والتطوير. وقد بدأت بعض الشركات بالفعل في تطوير المنتجات التجارية, ولكن سيستغرق الأمر بعض الوقت لدخول السوق رسميًا.
هل كبريت الليثيوم في الحالة الصلبة عبارة عن بطارية ليثيوم أيون? ما هي خصائصهم?
الليثيوم الحالة الصلبة تستخدم بطاريات الكبريت إلكتروليتات صلبة بدلاً من إلكتروليتات سائلة شائعة في بطاريات الليثيوم أيون.
يمكن اعتبار أن بطاريات الليثيوم الكبريتية ذات الحالة الصلبة هي نوع من بطاريات الليثيوم أيون, على الرغم من أن بطاريات الليثيوم الكبريتية ذات الحالة الصلبة ليست مثل بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. ولكن في فئة بطاريات الليثيوم, ولديهم أوجه تشابه في تكنولوجيا البطاريات القابلة لإعادة الشحن.
هل ستصبح بطاريات الليثيوم والكبريت الجيل القادم من البطاريات التي تتفوق على بطاريات الليثيوم أيون أو حتى أفضل?
أحد الاختناقات الرئيسية في البحث هو ضعف ركوب الدراجات بطاريات الليثيوم الكبريت. الحل الحالي هو اعتماد أساليب في المادة, القطب / المنحل بالكهرباء, ومستويات تكامل البطارية لتحويل LSB من قائد إلى قائد حقيقي في المتابعة “يتجاوز LIB”. يعتقد السوق أنه من المتوقع تسويق LSB في العقد المقبل, ال “الاتجاه السائل” سيتم استبداله تدريجيا “مستقبل الحالة الصلبة”. يمكن أن يؤدي هذا أيضًا إلى حل مشكلة تدهور السعة الناتج عن تحلل polysulfides في المنحل بالكهرباء, والتي يمكن أن تؤثر على عمر خدمة بطاريات الليثيوم الكبريت.
