Przegląd
W szybko rozwijającej się dziedzinie magazynowania energii, rywalizacja pomiędzy Bateria litowo-siarkowa (Li-s) i litowo-jonowy (Li ion) akumulatory cieszyły się dużym zainteresowaniem, napędzanie poszukiwań rozwiązań nowej generacji. Celem tego artykułu jest ujawnienie potencjału obu substancji poprzez pokazanie ich podstawowego składu chemicznego, charakterystyka wydajności, i praktyczne zastosowania.
Zagłębiając się w konkurencyjny krajobraz pomiędzy akumulatorami litowo-siarkowymi i litowo-jonowymi, naszym celem jest podkreślenie potencjalnego wpływu, jaki te technologie mogą mieć na przekształcenie branży magazynowania energii.
Na przykład, pojazd elektryczny (EW) branża czeka istotne zmiany, i baterie litowo-siarkowe zajmują pozycję lidera.
Oczekuje się, że te innowacyjne akumulatory elektrochemiczne na nowo zdefiniują przyszłość rynku magazynowania energii, zapewniając wyjątkową przewagę nad tradycyjnymi akumulatorami litowo-jonowymi. W tym artykule, zbadamy główne zalety akumulatorów litowo-siarkowych w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi, oraz w jaki sposób te postępy prowadzą nas do czystszego i bardziej zrównoważonego użytkowania.
Co to jest bateria litowo-siarkowa?
Siarka jest niedroga i występuje w dużych ilościach, i występuje w dużych ilościach na Ziemi. Zwłaszcza w procesie rafinacji ropy naftowej i gazu ziemnego, duże ilości żółtych pierwiastków siarkowych często gromadzą się poza elektrowniami zasilanymi paliwami kopalnymi.
Dla naukowców badających, w jaki sposób reakcje chemiczne wytwarzają energię elektryczną, siarka zawsze była uważana za bardzo atrakcyjny materiał do magazynowania energii. Dzieje się tak dlatego, że połączenie litu i siarki może stworzyć doskonały akumulator, który nie tylko może magazynować więcej energii, ale jest także bardziej opłacalny niż akumulatory litowo-jonowe stosowane obecnie w niektórych scenariuszach.
Bateria litowo-siarkowa to akumulator, w którym lit jest anodą, a siarka katodą. W porównaniu do innych akumulatorów, Baterie litowo-siarkowe znane są z dużej gęstości energii i niskiego potencjału kosztowego. Podczas procesu rozładowania, jony litu na anodzie reagują z siarką na katodzie, tworząc siarczek litu i uwalniając elektrony. Podczas ładowania, proces ten zostanie odwrócony, co pozwala na wielokrotne ładowanie i użytkowanie akumulatora.
Co to jest bateria litowo-jonowa?
Baterie litowo-jonowe są również powszechnym rodzajem akumulatorów.
Magazynuje i uwalnia energię poprzez ruch jonów litu pomiędzy anodą i katodą. Podczas procesu rozładowania, jony litu przemieszczają się z anody grafitowej przez elektrolit do katody z tlenku metalu, zwykle składającej się z kobaltu, nikiel, lub mangan, wytwarzanie prądu elektrycznego. Oraz podczas ładowania, proces ten zostanie odwrócony.
Akumulatory litowo-jonowe dzielą się na półprzewodnikowe akumulatory litowo-jonowe i ciekłe akumulatory litowo-jonowe ze względu na formę elektrolitu. A jego skład chemiczny litowo-jonowy jest inny, i jest podzielony na wiele typów baterii.
Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat kategorii, proszę zapoznać się z tym artykułem: 6 Rodzaje chemiczne akumulatorów litowo-jonowych, spośród których możesz wybierać.
Baterie litowo-jonowe cieszą się dużą popularnością ze względu na ich doskonałe właściwości własne, takie jak wysoka gęstość energii, długi cykl życia, i stosunkowo niewielka waga. Stały się preferowanym wyborem w przypadku pojazdów elektrycznych (EW) akumulatory i ważne źródło zasilania nowoczesnego sprzętu technologicznego i pojazdów transportowych.
Bateria litowo-siarkowa a bateria litowo-jonowa —— Jakie są różnice między nimi
Porównując akumulatory litowo-siarkowe i akumulatory litowo-jonowe, będą pewne różnice w różnych aspektach. Poniższe porównanie opiera się na kompleksowym uwzględnieniu aktualnego stanu rozwoju technologicznego i wyników bieżących badań.
Jakie są zalety akumulatorów litowo-siarkowych?
Wyższa gęstość energii : Gęstość energii akumulatorów Li-S jest znacznie wyższa niż akumulatorów litowo-jonowych, osiągając nawet 500 Wh/kg, czyli około pięć razy więcej niż w przypadku tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych.
Bardziej ekonomiczne : Jak wspomniano wcześniej, Ziemia posiada obfite zasoby siarki, co sprawia, że cena surowców siarkowych jest bardzo niska. Dlatego, w końcu, Baterie litowo-siarkowe mają większy potencjał opłacalności.
Korzyści dla środowiska : Siarka jest materiałem nietoksycznym, oraz baterie litowo-siarkowe są bardziej przyjazne dla środowiska niż baterie litowe, w których elektrolicie mogą znajdować się metale ciężkie.
Jakie są wady baterii litowo-siarkowej?
Mniejsza liczba cykli : Polisiarczki rozpuszczą się w elektrolicie, powodując stopniowy spadek pojemności akumulatorów litowo-siarkowych, co skutkuje stosunkowo krótkim cyklem życia.
Słaba przewodność : Przewodność siarki i produktów jej wydzielania jest słaba, dlatego należy dodać dodatki przewodzące, aby poprawić przewodność. Zajmie to trochę miejsca na projekt, zmniejszając w ten sposób całkowitą gęstość energii akumulatora.
Rozszerzanie objętości : Podczas cyklu ładowania i rozładowywania, objętość baterii litowo-siarkowej znacznie się zmieni, maksymalnie do 80%. Ta znacząca zmiana objętości może prowadzić do zmniejszenia wydajności mechanicznej akumulatora, wpływając w ten sposób na jego stabilność i żywotność.
Jakie są zalety akumulatorów litowo-jonowych?
Dłuższa żywotność : Baterie litowo-jonowe mają zazwyczaj długą żywotność i mogą przejść tysiące cykli ładowania, zanim ich wydajność znacząco spadnie. Baterie litowo-jonowe charakteryzują się większą stabilnością i niezawodnością podczas długotrwałego użytkowania.
Wyższa wydajność : Sprawność kulombowska akumulatorów litowo-jonowych jest bardzo wysoka, nawet do 99%, co oznacza, że straty energii podczas ładowania i rozładowywania są bardzo małe. Wysoka sprawność kulombowska zapewnia, że konwersja energii w akumulatorach litowo-jonowych jest bardziej efektywna podczas użytkowania.
Stabilne napięcie : Baterie litowo-jonowe mogą zapewnić stabilne napięcie rozładowania, co jest istotne dla normalnej pracy urządzeń elektronicznych.
Stabilne napięcie wyjściowe może zapewnić stałą wydajność urządzenia podczas użytkowania, unikanie nieprawidłowości w funkcjonowaniu lub uszkodzeń spowodowanych wahaniami napięcia.
Jakie są wady akumulatorów litowo-jonowych?
Wysoki koszt : Baterie litowo-jonowe są stosunkowo drogie, głównie ze względu na zastosowanie drogich materiałów, takich jak kobalt. Jednakże, wykorzystanie obecnych akumulatorów litowo-jonowych jest utrudnione ze względu na ograniczoną podaż niklu.
Kobalt jest dziś kolejnym kluczowym składnikiem akumulatorów litowo-jonowych, produkowane głównie w Demokratycznej Republice Konga, gdzie kopalnie kobaltu borykają się z problemami związanymi z prawami człowieka. Pojawiły się wezwania do zaprzestania takiego wydobycia.
Ryzyka bezpieczeństwa : Jeśli akumulator jest uszkodzony lub niewłaściwie naładowany, może to zwiększyć ryzyko pożaru ze względu na łatwopalność elektrolitu. Zagrożenia bezpieczeństwa związane z akumulatorami litowo-jonowymi są znacznie wyższe niż w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych, zwłaszcza przy wyższych temperaturach.
Efekt środowiskowy : Lit i kobalt mają wpływ zarówno na środowisko, jak i na etykę podczas ekstrakcji i przetwarzania tych dwóch pierwiastków. Po pierwsze, mogą one powodować szkody w ekosystemie podczas wydobycia, i po drugie, Podczas przetwarzania mogą wydzielać się szkodliwe substancje chemiczne.
Ponadto, warunki pracy mogą nie odpowiadać międzynarodowym standardom pracy, powodując istotne problemy etyczne.
Baterie litowo-siarkowe i litowo-jonowe – kompleksowe porównanie
Teoretyczna gęstość energii akumulatorów Li-S (500Wh/kg) jest wyższa niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych (150-250Wh/kg), co czyni je bardziej wydajnymi w zastosowaniach wymagających magazynowania dużej ilości energii.
Obfitość i niski koszt siarki mogą sprawić, że akumulatory litowo-siarkowe będą znacznie tańsze niż obecne akumulatory litowo-jonowe, i zmniejszyć zależność od problematycznych obszarów, dlatego baterie litowo-siarkowe są zwykle tańsze. W przeciwieństwie, akumulatory litowo-jonowe są droższe.
Żywotność akumulatorów litowo-jonowych jest stosunkowo długa, zwykle przekracza 1000 cykle. Rozpuszczanie polisiarczków litu i degradacja katod siarkowych podczas powtarzających się cykli ładowania i rozładowywania prowadzi do zmniejszenia pojemności, co powoduje krótszą żywotność akumulatorów litowo-siarkowych.
Elektrolity w akumulatorach litowo-jonowych są łatwopalne i mogą stanowić zagrożenie. Siarka nie jest łatwopalna i ma niską toksyczność. Po obróbce technicznej, może nadal wytwarzać nietoksyczną siarkę. Baterie litowo-siarkowe są ogólnie uważane za bezpieczniejsze i bardziej przyjazne dla środowiska.
W porównaniu do baterii litowo-jonowych, Baterie litowo-siarkowe charakteryzują się niższym współczynnikiem samorozładowania, co oznacza, że mogą zachować zmagazynowaną energię przez dłuższy okres czasu. W przeciwieństwie, akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się dłuższą żywotnością i wyższą rzeczywistą gęstością energii.
W porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi, Technologia akumulatorów litowo-siarkowych jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju. Pokonywanie wyzwań technicznych związanych ze stabilnością katody siarkowej, kompatybilność elektrolitów, a ogólna wydajność ma kluczowe znaczenie w przypadku powszechnych zastosowań.
Choć wciąż na etapie badań i rozwoju, Baterie litowo-siarkowe wykazały potencjał w zastosowaniach wymagających większej gęstości energii, takie jak pojazdy elektryczne i magazynowanie energii w skali sieciowej, z zaletami w postaci lekkości i opłacalności.
Jak dokonać najlepszego wyboru pomiędzy akumulatorami litowo-siarkowymi a akumulatorami litowo-jonowymi?
Wybór pomiędzy akumulatorami litowo-siarkowymi a akumulatorami litowo-jonowymi zależy od konkretnych potrzeb i ograniczeń danego zastosowania.
Na przykład, w wymaganiach aplikacji, biorąc pod uwagę wysoką gęstość energii produktu: Akumulatory Li-S mogą być bardziej odpowiednie do zastosowań takich jak pojazdy elektryczne lub lotnictwo, ponieważ wysoka gęstość energii jest kluczowa.
Jeśli potrzebujesz trwałych baterii, takich jak elektronika użytkowa lub magazynowanie sieciowe, wówczas akumulatory litowo-jonowe są lepszym wyborem, ponieważ mają dłuższą żywotność.
Jeśli koszt jest najważniejszym czynnikiem, następnie w porównaniu z metalami stosowanymi w akumulatorach litowo-jonowych, siarka ma niższy koszt, więc baterie litowo-siarkowe mogą być dla Ciebie bardziej atrakcyjne. W tym samym czasie, całkowity koszt posiadania, łącznie z kosztem wymiany baterii, również trzeba to rozważyć.
Jeśli priorytetem jest zmniejszenie wpływu na środowisko i bezpieczeństwo: do zastosowań krytycznych dla bezpieczeństwa, takich jak urządzenia medyczne lub przenośne urządzenia elektroniczne, niepalne właściwości siarki w akumulatorach litowo-siarkowych mają zalety.
Ponadto, Baterie litowo-jonowe zazwyczaj zapewniają bardziej stabilne napięcie i wyższą wydajność, dzięki czemu są bardziej odpowiednie do zastosowań wymagających stabilnej mocy wyjściowej. Do zastosowań o wysokich wymaganiach dotyczących obciążenia, jak elektronarzędzia lub pojazdy elektryczne, solidność i wydajność akumulatorów litowo-jonowych mają znaczące zalety.
Wniosek
W podsumowaniu, siarka litowa (Li-s) zapewnia atrakcyjny produkt akumulatorowy dla tradycyjnych alternatyw dla akumulatorów litowo-jonowych ze względu na doskonałą gęstość energii, lekka wydajność, redukcja kosztów, i możliwość szybkiego ładowania. Na przykład, na rynku akumulatorów, takich jak pojazdy elektryczne, ma również pewne zalety w przypadku własnych akumulatorów, który ma zrewolucjonizować dziedzinę pojazdów elektrycznych.
Perspektywy LiSB leżą w imponującej gęstości energii i siarce – materiale występującym w większej ilości i mniej problematycznym w porównaniu z metalami stosowanymi obecnie w LIB. Dzięki ciągłemu postępowi w badaniach i rozwoju w tej dziedzinie, baterie litowo-siarkowe idą do przodu.
Postęp technologii akumulatorów w coraz większym stopniu sprzyja potencjałowi akumulatorów Li-S jako wysokowydajnego systemu magazynowania energii. Stanie się potencjalnym silnym konkurentem na rynku akumulatorów litowo-jonowych. Chociaż pewne istotne problemy z akumulatorami litowo-siarkowymi są oczywiste, w rozwiązaniu tych problemów poczyniono nowe osiągnięcia technologiczne, jak na przykład nanoporowaty membrany i innowacyjne struktury elektrod. Przy obecnej elektryfikacji społeczeństwa, ścieżka rozwoju LiSB jest jasna: rozwijanie badań, pokonywanie barier technologicznych, i poszerzanie skali produkcji w celu wejścia na rynek masowy. Można powiedzieć, że bateria litowo-siarkowa ma obiecującą przyszłość.
Często Zadawane Pytania
Jak długo wytrzymują baterie litowo-siarkowe?
Akumulatory Li-S zazwyczaj wytrzymują około 300-500 cykle ładowania i rozładowania, po czym pojemność znacznie spadnie. Dlatego jego żywotność jest zwykle krótsza niż w przypadku akumulatora litowo-jonowego (Li ion) baterie. Dzieje się tak głównie na skutek rozpuszczania polisiarczków i wynikającej z tego utraty substancji aktywnych. Obecnie, głównym kierunkiem badań są także sposoby poprawy żywotności akumulatorów litowo-siarkowych.
Czy akumulator litowo-siarkowy jest łatwopalny?
Baterie litowo-siarkowe są ogólnie uważane za bezpieczniejsze i mniej łatwopalne niż baterie litowo-jonowe. Dzieje się tak dlatego, że siarka nie jest palna i ma niższą reaktywność niż tlenki metali stosowane w akumulatorach litowo-jonowych.
Jednakże, elektrolity i inne materiały użyte w konstrukcji akumulatorów litowo-siarkowych w dalszym ciągu wpływają na ich bezpieczeństwo. To również można zrozumieć. Aby wywołać reakcję chemiczną, wymagane są określone warunki, a reakcja wytwarza energię. Pod warunkiem, że będzie się go rozsądnie używać, zagrożeń można uniknąć.
Czy akumulatory litowo-siarkowe można wprowadzić na rynek??
Jasne, ale obecnie baterie litowo-siarkowe nie są szeroko stosowane komercyjnie.
Chociaż akumulatory litowo-siarkowe mają świetne perspektywy ze względu na wysoką gęstość energii i zalety kosztowe, są one wciąż na etapie badań i rozwoju. Niektóre firmy rozpoczęły już opracowywanie produktów komercyjnych, ale zanim oficjalnie wejdzie na rynek, minie jeszcze trochę czasu.
Czy półprzewodnikowy litowo-siarkowy akumulator litowo-jonowy? Jakie są ich cechy?
Lit w stanie stałym W akumulatorach siarkowych zamiast elektrolitów ciekłych powszechnie stosowanych w akumulatorach litowo-jonowych stosuje się elektrolity stałe.
Można uznać, że półprzewodnikowe akumulatory litowo-siarkowe są rodzajem akumulatorów litowo-jonowych, chociaż półprzewodnikowe akumulatory litowo-siarkowe to nie to samo, co tradycyjne akumulatory litowo-jonowe. Ale w kategorii baterii litowych, i mają podobieństwa w technologii akumulatorów.
Czy akumulatory litowo-siarkowe staną się następną generacją akumulatorów, które przewyższą akumulatory litowo-jonowe lub nawet lepsze?
Jednym z głównych wąskich gardeł w badaniach jest słaba jazda na rowerze baterie litowo-siarkowe. Obecne rozwiązanie polega na przyjęciu metod na materiale, elektroda/elektrolit, i poziomy integracji akumulatorów, aby przekształcić LSB z lidera w prawdziwego lidera w dążeniu do „przewyższania LIB”. Rynek wierzy, że w oczekiwaną komercjalizację LSB w najbliższej dekadzie, „płynny trend” będzie stopniowo zastępowany przez „solid-state future”. Może to również rozwiązać problem degradacji pojemności spowodowanej rozpuszczaniem wielosiarczków w elektrolicie, które mogą mieć wpływ na żywotność akumulatorów litowo-siarkowych.
