01 Co to są baterie litowo-powietrzne i litowo-siarkowe?
① Akumulator litowo-powietrzny
Akumulator litowo-powietrzny wykorzystuje tlen jako reagent elektrody dodatniej i metaliczny lit jako elektrodę ujemną.Ma wysoką teoretyczną gęstość energii (3500wh/kg), a jej rzeczywista gęstość energii może osiągnąć 500-1000wh/kg, czyli znacznie więcej niż konwencjonalny system akumulatorów litowo-jonowych.Baterie litowo-powietrzne składają się z elektrod dodatnich, elektrolitów i elektrod ujemnych.W niewodnych systemach akumulatorów jako gaz reakcyjny stosuje się obecnie czysty tlen, dlatego akumulatory litowo-powietrzne można również nazwać akumulatorami litowo-tlenowymi.
W 1996 roku Abraham i in.z powodzeniem zmontowali w laboratorium pierwszą niewodną baterię litowo-powietrzną.Następnie naukowcy zaczęli zwracać uwagę na wewnętrzną reakcję elektrochemiczną i mechanizm niewodnych baterii litowo-powietrznych;w 2002 r. Read i in.stwierdzili, że wydajność elektrochemiczna akumulatorów litowo-powietrznych zależała od rozpuszczalnika elektrolitu i materiałów katody powietrznej;w 2006 roku Ogasawara i in.za pomocą spektrometru masowego po raz pierwszy udowodniono, że Li2O2 utlenia się i uwalnia tlen podczas ładowania, co potwierdziło elektrochemiczną odwracalność Li2O2.Dlatego akumulatory litowo-powietrzne cieszą się dużym zainteresowaniem i szybko się rozwijają.
② Bateria litowo-siarkowa
Akumulator litowo-siarkowy to system akumulatorów wtórnych oparty na odwracalnej reakcji siarki o wysokiej pojemności właściwej (1675 mAh/g) i litu metalicznego (3860 mAh/g), przy średnim napięciu rozładowania około 2,15 V.Jego teoretyczna gęstość energii może osiągnąć 2600wh/kg.Jego surowce mają zalety niskiego kosztu i przyjazności dla środowiska, dzięki czemu ma duży potencjał rozwojowy.Wynalazek akumulatorów litowo-siarkowych datuje się na lata 60., kiedy to Herbert i Ulam złożyli wniosek o patent na akumulator.Prototyp tej baterii litowo-siarkowej wykorzystywał lit lub stop litu jako materiał elektrody ujemnej, siarkę jako materiał elektrody dodatniej i składał się z alifatycznych nasyconych amin.elektrolitu.Kilka lat później akumulatory litowo-siarkowe udoskonalono, wprowadzając rozpuszczalniki organiczne, takie jak PC, DMSO i DMF, i otrzymano akumulatory o napięciu 2,35-2,5 V.Pod koniec lat 80. udowodniono, że etery są przydatne w akumulatorach litowo-siarkowych.W późniejszych badaniach odkrycie elektrolitów na bazie eteru, zastosowanie LiNO3 jako dodatku do elektrolitu oraz propozycja kompozytowych elektrod dodatnich węgiel/siarka otworzyły boom badawczy w zakresie akumulatorów litowo-siarkowych.
02 Zasada działania baterii litowo-powietrznej i baterii litowo-siarkowej
① Akumulator litowo-powietrzny
W zależności od różnych stanów zastosowanego elektrolitu, akumulatory litowo-powietrzne można podzielić na układy wodne, układy organiczne, układy hybrydowe wodno-organiczne i całkowicie stałe akumulatory litowo-powietrzne.Wśród nich, ze względu na małą pojemność właściwą baterii litowo-powietrznych wykorzystujących elektrolity na bazie wody, trudności w ochronie litu metalicznego i słabą odwracalność układu, niewodne organiczne baterie litowo-powietrzne i litowo-powietrzne całkowicie stałe baterie są obecnie szerzej stosowane.Badania.Niewodne akumulatory litowo-powietrzne zostały po raz pierwszy zaproponowane przez Abrahama i Z.Jianga w 1996 r. Równanie reakcji rozładowania pokazano na rysunku 1. Reakcja ładowania jest odwrotna.Elektrolit wykorzystuje głównie elektrolit organiczny lub elektrolit stały, a produktem wyładowania jest głównie Li2O2, produkt jest nierozpuszczalny w elektrolicie i łatwo gromadzi się na elektrodzie dodatniej powietrza, wpływając na pojemność rozładowania akumulatora litowo-powietrznego.
Baterie litowo-powietrzne mają zalety ultrawysokiej gęstości energii, przyjazności dla środowiska i niskiej ceny, ale ich badania są wciąż w powijakach i wciąż istnieje wiele problemów do rozwiązania, takich jak kataliza reakcji redukcji tlenu, przepuszczalności tlenu i hydrofobowości elektrod powietrznych oraz dezaktywacji elektrod powietrznych itp.
② Bateria litowo-siarkowa
Baterie litowo-siarkowe wykorzystują głównie siarkę elementarną lub związki na bazie siarki jako materiał elektrody dodatniej baterii, a metaliczny lit jest używany głównie jako elektroda ujemna.Podczas procesu wyładowania metaliczny lit znajdujący się na elektrodzie ujemnej jest utleniany w celu utraty elektronu i wytworzenia jonów litu;następnie elektrony są przenoszone na elektrodę dodatnią przez obwód zewnętrzny, a generowane jony litu są również przenoszone na elektrodę dodatnią przez elektrolit, aby reagować z siarką, tworząc polisiarczek.Lit (LiPS), a następnie dalej reagują, aby wytworzyć siarczek litu, aby zakończyć proces rozładowania.Podczas procesu ładowania jony litu w LiPS wracają do elektrody ujemnej przez elektrolit, podczas gdy elektrony wracają do elektrody ujemnej przez obwód zewnętrzny, tworząc metaliczny lit z jonami litu, a LiPS są redukowane do siarki na elektrodzie dodatniej, aby dokończyć ładowanie. proces ładowania.
Proces rozładowania akumulatorów litowo-siarkowych to głównie wieloetapowa, wieloelektronowa, wielofazowa złożona reakcja elektrochemiczna na katodzie siarkowej, a LiPS o różnej długości łańcucha są przekształcane w siebie podczas procesu ładowania-rozładowania.Podczas procesu wyładowania reakcję, która może wystąpić na elektrodzie dodatniej pokazano na rysunku 2, a reakcję na elektrodzie ujemnej pokazano na rysunku 3.
Zalety akumulatorów litowo-siarkowych są bardzo oczywiste, takie jak bardzo duża teoretyczna pojemność;w materiale nie ma tlenu, a reakcja wydzielania tlenu nie nastąpi, więc bezpieczeństwo jest dobre;zasoby siarki są obfite, a siarka elementarna jest tania;jest przyjazny dla środowiska i ma niską toksyczność.Jednak akumulatory litowo-siarkowe mają również pewne trudne problemy, takie jak efekt wahadłowy polisiarczku litu;izolację siarki elementarnej i produktów jej wydzielania;problem dużych zmian wolumenu;niestabilność SEI i problemy z bezpieczeństwem powodowane przez anody litowe;zjawisko samorozładowania itp.
Jako nowa generacja systemów akumulatorów wtórnych, akumulatory litowo-powietrzne i akumulatory litowo-siarkowe mają bardzo wysokie teoretyczne wartości pojemności właściwej i przyciągnęły dużą uwagę badaczy i rynku akumulatorów wtórnych.Obecnie te dwie baterie wciąż borykają się z wieloma problemami naukowymi i technicznymi.Są na wczesnym etapie badań nad rozwojem baterii.Poza koniecznością dalszej poprawy określonej pojemności i stabilności materiału katody baterii, pilnie należy rozwiązać kluczowe kwestie, takie jak bezpieczeństwo baterii.W przyszłości te dwa nowe typy akumulatorów nadal wymagają ciągłego doskonalenia technicznego w celu wyeliminowania ich wad, aby otworzyć szersze perspektywy zastosowań.
Czas postu: 07-04-2023