霍克锂电池的技术经济和环境影响分析

非可再生能源来历开释的温室气体（GHG）是气候改变和全球变暖的重要因素[1]。交通运送部分担任14%的全球化石燃料GHG排放[2]。在印度，交通运送部分是第三大二氧化碳（CO2）排放源，其间路途运送占CO2总排放量的>90%。因而，世界各国和地区都在积极倡议交通运送部分的电气化，并推行电动车辆（EVs）作为传统内燃机车辆的替代品，从而促进路途运送的脱碳。电动两轮车（电动自行车）在印度的日益遍及，是向可继续交通迈出的重要一步，其潜在优势包含削减GHG排放和改善城市空气质量，例如德里（年平均PM2.5浓度为99.71微克/立方米）。在2022-23财年，印度的两轮车销量明显增加，比上一财年（2021-22年）的327,900辆增长了超过一倍，到达846,976辆[3]。车辆数量的增加也明显加剧了印度的空气污染。高露出于空气污染，特别是颗粒物和氮氧化物（NOX），与该国严峻的健康问题有关[4]。数字

锂离子（Li-ion）可充电电池在电动轿车[7, 8]等职业中引发了增长；然而，随着锂矿需求的增长以及锂离子商场的扩张[9, 10]，对更廉价的替代品如钠基电池的需求变得显着[11]。锂资源的稀缺性和本钱使得咱们必须考虑其他储能选项，如钠离子（Na-ion）电池，考虑到钠矿藏如碳酸钠、硫酸钠和氯化钠（Na2CO3、Na2SO4和NaCl）比锂廉价得多（20-30倍）[12]。印度拥有丰厚的海边和石灰石矿区的钠资源，这使其成为印度科学界探究和开发Na-ion电池的理想焦点[13]。

此外，在印度，电池技能的环境影响至关重要，因为空气污染是一个急迫的问题。经过比较环境影响，能够评估每种电池类型在其整个生命周期中的碳足迹，包含运用阶段、制作进程、原资料提取和寿数结束时的处置等各个方面。从运用寿数的角度来看，交通运送供给了对电动轿车用锂离子电池的环境影响的全面剖析，强调了与锂离子电池相关的环境、经济和资源危险，并突出了电池出产、二次使用、运用和资料回收阶段的重要性，以及绿色电力在整个电池生命周期中削减碳排放的作用[14]。研讨用于出产工厂中作为蓄电器的磷酸铁锂（LiFePO4或LFP）和钠硫（NaS）电池的环境效应表明，在运用进程中，磷酸铁锂稍微更可继续一些，而钠硫在电池出产方面的环境影响显着较低。经过量化温室气体排放、有毒废物产生和资源干涸等参数，能够比较铅酸电池、钠离子电池和锂离子电池的环境影响[15]。

1 文献总述

铅酸电池长期以来一向被广泛运用，现在因为其在轿车和可再生能源范畴的经济重要性而正在被深入研讨。铅酸电池已被广泛用于固定式储能以及轿车发动电池[16]。锂离子电池在功率密度和能效方面表现出优于铅酸电池的功用。因而，开宣布比铅酸电池更轻、更小尺度的锂离子电池是可行的。这些特性使得锂离子电池成为电动轿车的首选[17]。

锂离子电池因其耐用性和高能量/功率密度而被广泛应用于电动轿车、电子设备和储能体系中[18]。然而，内部或外部故障或许会影响电池功用，导致热失控，这是一种严峻的安全问题，或许导致火灾和爆炸。对热失控的预测、诊断和建模的研讨对于制定预防和缓解策略至关重要，以确保锂离子电池体系的安全性[19]。

美国能源部下属的太平洋西北国家实验室在钠离子电池技能上取得了明显进展，这种新式电池具有高能量密度，使其成为电动轿车的理想挑选。即便在较低的温度下，钠离子电池的功用仍然强劲，处理了传统锂电池常面临的难题[20]。钠离子电池由先进的正负极组成，突显了其在导电性、稳定性、循环寿数和可逆性等要害参数中的明显优势[21]。此外，研讨还集中在开发快速充电纳米资料，以集成到根据钠离子的储能技能中，并与电动自行车相结合[22]。

2 技能比较

2.1 铅酸电池

铅酸电池（图1）由正极板（由二氧化铅（PbO2）组成）和负极板（海绵铅制成）组成。这些电极浸没在稀释的硫酸（H2SO4）溶液中。当外部负载连接到电池端子时，由二氧化铅制成的正极板和由海绵铅组成的负极板会产生化学改变，转变为硫酸铅（PbSO4）[23]。这个进程能够用以下方程式来描绘：

Fig. 1:

铅酸电池的作业原理

2.2 锂离子电池

为了阐明标准锂电池的作业原理，咱们能够以锂钴氧化物（LiCoO2）/石墨电池作为一个代表性例子来研讨（图2）。在电池的充电进程中，阴极资料，在这种情况下一般是LiCoO2，会经历Li+离子的脱嵌。这些Li+离子随后扩散到电解液中并经过隔膜的微孔。与此一起，经过外部电路产生电子的反向活动，以坚持体系内的电中性。一起，这些Li+离子嵌入阳极资猜中，一般是石墨。在放电进程中，移动方向相反。这个进程由以下方程描绘：

Fig. 2:

锂离子电池的作业原理

2.3 钠离子电池

钠离子电池的操作原理（图3）与锂离子电池十分相似，区别在于参与能量充放电进程的是钠离子而不是锂离子。在钠离子电池中，负极一般由硬碳制成，而六氟磷酸钠（NaPF6）作为电解质。当电池进行充电进程时，正钠离子（Na+）从阴极被移出并刺进到阳极，一起电子经过外部电路移动。另一方面，当电池放电时，相反的情况会产生：Na+离子从阳极被提取并从头整合到阴极，一起电子经过外部电路活动以履行有用功用[24]。这个进程能够用以下方程式来描绘：

Fig. 3:

钠离子电池的作业原理

 

其间X代表宿主化合物中的氧或硫，a、b和c分别是起始资料和构成的含钠化合物的化学计量组成。