01 Τι είναι οι μπαταρίες λιθίου-αέρα και οι μπαταρίες λιθίου-θείου;
① Μπαταρία Li-air
Η μπαταρία λιθίου-αέρα χρησιμοποιεί οξυγόνο ως αντιδραστήριο θετικού ηλεκτροδίου και μεταλλικό λίθιο ως αρνητικό ηλεκτρόδιο.Έχει υψηλή θεωρητική ενεργειακή πυκνότητα (3500wh/kg) και η πραγματική ενεργειακή του πυκνότητα μπορεί να φτάσει τα 500-1000wh/kg, που είναι πολύ υψηλότερη από το συμβατικό σύστημα μπαταριών ιόντων λιθίου.Οι μπαταρίες λιθίου-αέρα αποτελούνται από θετικά ηλεκτρόδια, ηλεκτρολύτες και αρνητικά ηλεκτρόδια.Σε μη υδατικά συστήματα μπαταριών, το καθαρό οξυγόνο χρησιμοποιείται επί του παρόντος ως αέριο αντίδρασης, επομένως οι μπαταρίες λιθίου-αέρα μπορούν επίσης να ονομαστούν μπαταρίες λιθίου-οξυγόνου.
Το 1996, οι Abraham et al.συναρμολόγησε με επιτυχία την πρώτη μη υδατική μπαταρία λιθίου-αέρα στο εργαστήριο.Στη συνέχεια, οι ερευνητές άρχισαν να δίνουν προσοχή στην εσωτερική ηλεκτροχημική αντίδραση και τον μηχανισμό των μη υδατικών μπαταριών λιθίου-αέρα.το 2002, Read et al.διαπίστωσε ότι η ηλεκτροχημική απόδοση των μπαταριών λιθίου-αέρα εξαρτιόταν από τον διαλύτη του ηλεκτρολύτη και τα υλικά καθόδου αέρα.το 2006, οι Ogasawara et al.χρησιμοποιήθηκε φασματόμετρο μάζας, αποδείχθηκε για πρώτη φορά ότι το Li2O2 οξειδώθηκε και απελευθερώθηκε οξυγόνο κατά τη φόρτιση, γεγονός που επιβεβαίωσε την ηλεκτροχημική αναστρεψιμότητα του Li2O2.Ως εκ τούτου, οι μπαταρίες λιθίου-αέρα έχουν λάβει μεγάλη προσοχή και ταχεία ανάπτυξη.
② Μπαταρία λιθίου-θείου
Η μπαταρία λιθίου-θείου είναι ένα δευτερεύον σύστημα μπαταρίας που βασίζεται στην αναστρέψιμη αντίδραση θείου υψηλής ειδικής χωρητικότητας (1675mAh/g) και μετάλλου λιθίου (3860mAh/g), με μέση τάση εκφόρτισης περίπου 2,15V.Η θεωρητική ενεργειακή του πυκνότητα μπορεί να φτάσει τα 2600wh/kg.Οι πρώτες ύλες της έχουν τα πλεονεκτήματα του χαμηλού κόστους και της φιλικότητας προς το περιβάλλον, επομένως έχει μεγάλες δυνατότητες ανάπτυξης.Η εφεύρεση των μπαταριών λιθίου-θείου μπορεί να εντοπιστεί στη δεκαετία του 1960, όταν ο Herbert και ο Ulam υπέβαλαν αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μπαταρία.Το πρωτότυπο αυτής της μπαταρίας λιθίου-θείου χρησιμοποιούσε λίθιο ή κράμα λιθίου ως υλικό αρνητικού ηλεκτροδίου, θείο ως υλικό θετικού ηλεκτροδίου και αποτελείται από αλειφατικές κορεσμένες αμίνες.του ηλεκτρολύτη.Λίγα χρόνια αργότερα, οι μπαταρίες λιθίου-θείου βελτιώθηκαν με την εισαγωγή οργανικών διαλυτών όπως PC, DMSO και DMF, και αποκτήθηκαν μπαταρίες 2,35-2,5 V.Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1980, οι αιθέρες αποδείχτηκαν χρήσιμοι σε μπαταρίες λιθίου-θείου.Σε μεταγενέστερες μελέτες, η ανακάλυψη ηλεκτρολυτών με βάση τον αιθέρα, η χρήση του LiNO3 ως πρόσθετο ηλεκτρολυτών και η πρόταση θετικών ηλεκτροδίων σύνθετου άνθρακα/θείου άνοιξαν την ερευνητική έκρηξη των μπαταριών λιθίου-θείου.
02 Αρχή λειτουργίας μπαταρίας λιθίου-αέρα και μπαταρίας λιθίου-θείου
① Μπαταρία Li-air
Ανάλογα με τις διαφορετικές καταστάσεις του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται, οι μπαταρίες λιθίου-αέρα μπορούν να χωριστούν σε υδατικά συστήματα, οργανικά συστήματα, υβριδικά συστήματα νερού-οργανικού και μπαταρίες λιθίου-αέρα πλήρως στερεάς κατάστασης.Μεταξύ αυτών, λόγω της χαμηλής ειδικής χωρητικότητας των μπαταριών λιθίου-αέρα που χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτες με βάση το νερό, των δυσκολιών στην προστασία του μετάλλου λιθίου και της κακής αναστρεψιμότητας του συστήματος, των μη υδατικών οργανικών μπαταριών λιθίου-αέρα και των μπαταριών λιθίου-αέρα πλήρως στερεάς κατάστασης Οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται ευρέως επί του παρόντος.Ερευνα.Οι μη υδατικές μπαταρίες λιθίου-αέρα προτάθηκαν για πρώτη φορά από τους Abraham και Z.Jiang το 1996. Η εξίσωση αντίδρασης εκφόρτισης φαίνεται στο Σχήμα 1. Η αντίδραση φόρτισης είναι το αντίθετο.Ο ηλεκτρολύτης χρησιμοποιεί κυρίως οργανικό ηλεκτρολύτη ή στερεό ηλεκτρολύτη και το προϊόν εκφόρτισης είναι κυρίως Li2O2, το προϊόν είναι αδιάλυτο στον ηλεκτρολύτη και είναι εύκολο να συσσωρευτεί στο θετικό ηλεκτρόδιο στον αέρα, επηρεάζοντας την ικανότητα εκφόρτισης της μπαταρίας λιθίου-αέρα.
Οι μπαταρίες λιθίου-αέρα έχουν τα πλεονεκτήματα της εξαιρετικά υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, της φιλικότητας προς το περιβάλλον και της χαμηλής τιμής, αλλά η έρευνά τους είναι ακόμα σε αρχικό στάδιο και υπάρχουν ακόμη πολλά προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν, όπως η κατάλυση της αντίδρασης μείωσης του οξυγόνου, η διαπερατότητα οξυγόνου και υδροφοβικότητα των ηλεκτροδίων αέρα και η απενεργοποίηση ηλεκτροδίων αέρα κ.λπ.
② Μπαταρία λιθίου-θείου
Οι μπαταρίες λιθίου-θείου χρησιμοποιούν κυρίως στοιχειακό θείο ή ενώσεις με βάση το θείο ως υλικό θετικού ηλεκτροδίου της μπαταρίας και το μεταλλικό λίθιο χρησιμοποιείται κυρίως για το αρνητικό ηλεκτρόδιο.Κατά τη διαδικασία εκφόρτισης, το μεταλλικό λίθιο που βρίσκεται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο οξειδώνεται για να χάσει ένα ηλεκτρόνιο και να δημιουργήσει ιόντα λιθίου.τότε τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο θετικό ηλεκτρόδιο μέσω του εξωτερικού κυκλώματος και τα παραγόμενα ιόντα λιθίου μεταφέρονται επίσης στο θετικό ηλεκτρόδιο μέσω του ηλεκτρολύτη για να αντιδράσουν με το θείο για να σχηματίσουν πολυσουλφίδιο.Λίθιο (LiPSs), και στη συνέχεια αντιδρούν περαιτέρω για να δημιουργήσουν θειούχο λίθιο για να ολοκληρώσουν τη διαδικασία εκφόρτισης.Κατά τη διαδικασία φόρτισης, τα ιόντα λιθίου στα LiPS επιστρέφουν στο αρνητικό ηλεκτρόδιο μέσω του ηλεκτρολύτη, ενώ τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν στο αρνητικό ηλεκτρόδιο μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος για να σχηματίσουν μέταλλο λιθίου με ιόντα λιθίου και τα LiPS μειώνονται σε θείο στο θετικό ηλεκτρόδιο για να ολοκληρωθεί η διαδικασία φόρτισης.
Η διαδικασία εκφόρτισης των μπαταριών λιθίου-θείου είναι κυρίως μια σύνθετη ηλεκτροχημική αντίδραση πολλαπλών σταδίων, πολλαπλών ηλεκτρονίων, πολλαπλών φάσεων στην κάθοδο του θείου και τα LiPS με διαφορετικά μήκη αλυσίδας μετατρέπονται μεταξύ τους κατά τη διαδικασία φόρτισης-εκφόρτισης.Κατά τη διαδικασία εκφόρτισης, η αντίδραση που μπορεί να συμβεί στο θετικό ηλεκτρόδιο φαίνεται στο σχήμα 2 και η αντίδραση στο αρνητικό ηλεκτρόδιο φαίνεται στο σχήμα 3.
Τα πλεονεκτήματα των μπαταριών λιθίου-θείου είναι πολύ προφανή, όπως η πολύ υψηλή θεωρητική χωρητικότητα.δεν υπάρχει οξυγόνο στο υλικό και δεν θα συμβεί αντίδραση έκλυσης οξυγόνου, επομένως η απόδοση ασφάλειας είναι καλή.Οι πόροι θείου είναι άφθονοι και το στοιχειακό θείο είναι φθηνό.είναι φιλικό προς το περιβάλλον και έχει χαμηλή τοξικότητα.Ωστόσο, οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν επίσης ορισμένα δύσκολα προβλήματα, όπως το φαινόμενο σαΐτας πολυσουλφιδίου λιθίου.τη μόνωση του στοιχειακού θείου και των προϊόντων απόρριψής του·το πρόβλημα των μεγάλων αλλαγών όγκου?το ασταθές SEI και τα προβλήματα ασφάλειας που προκαλούνται από τις ανόδους λιθίου.φαινόμενο αυτοεκφόρτισης κ.λπ.
Ως νέα γενιά δευτερεύοντος συστήματος μπαταριών, οι μπαταρίες λιθίου-αέρα και οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν πολύ υψηλές θεωρητικές τιμές ειδικής χωρητικότητας και έχουν προσελκύσει εκτεταμένη προσοχή από τους ερευνητές και τη δευτερογενή αγορά μπαταριών.Προς το παρόν, αυτές οι δύο μπαταρίες εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν πολλά επιστημονικά και τεχνικά προβλήματα.Βρίσκονται στο πρώιμο ερευνητικό στάδιο ανάπτυξης μπαταριών.Εκτός από τη συγκεκριμένη χωρητικότητα και τη σταθερότητα του υλικού της καθόδου της μπαταρίας που χρειάζεται περαιτέρω βελτίωση, βασικά ζητήματα όπως η ασφάλεια της μπαταρίας πρέπει επίσης να επιλυθούν επειγόντως.Στο μέλλον, αυτοί οι δύο νέοι τύποι μπαταριών εξακολουθούν να χρειάζονται συνεχή τεχνική βελτίωση για την εξάλειψη των ελαττωμάτων τους, προκειμένου να ανοίξουν ευρύτερες προοπτικές εφαρμογής.
Ώρα δημοσίευσης: Απρ-07-2023