01 Čo sú to lítium-vzduchové batérie a lítium-sírové batérie?
① Li-air batéria
Lítium-vzduchová batéria využíva kyslík ako kladnú elektródu a lítium ako zápornú elektródu.Má vysokú teoretickú hustotu energie (3 500 Wh/kg) a jej skutočná hustota energie môže dosiahnuť 500 – 1 000 Wh/kg, čo je oveľa viac ako pri konvenčnom lítium-iónovom batériovom systéme.Lítiovo-vzduchové batérie sa skladajú z kladných elektród, elektrolytov a záporných elektród.V nevodných batériových systémoch sa v súčasnosti ako reakčný plyn používa čistý kyslík, preto sa lítium-vzduchové batérie môžu nazývať aj lítium-kyslíkové batérie.
V roku 1996 Abraham a spol.v laboratóriu úspešne zostavil prvú nevodnú lítium-vzduchovú batériu.Potom vedci začali venovať pozornosť vnútornej elektrochemickej reakcii a mechanizmu nevodných lítium-vzduchových batérií;v roku 2002, Read a kol.zistili, že elektrochemický výkon lítium-vzduchových batérií závisí od rozpúšťadla elektrolytu a materiálov vzduchovej katódy;v roku 2006 Ogasawara a kol.použitého hmotnostného spektrometra sa prvýkrát dokázalo, že pri nabíjaní došlo k oxidácii Li2O2 a uvoľneniu kyslíka, čo potvrdilo elektrochemickú reverzibilitu Li2O2.Preto sa lítiovo-vzduchovým batériám venuje veľká pozornosť a rýchly vývoj.
② Lítium-sírová batéria
Lítium-sírová batéria je sekundárny batériový systém založený na reverzibilnej reakcii síry s vysokou špecifickou kapacitou (1675mAh/g) a kovového lítia (3860mAh/g), s priemerným vybíjacím napätím približne 2,15V.Jeho teoretická hustota energie môže dosiahnuť 2600 Wh/kg.Jeho suroviny majú výhody nízkej ceny a šetrnosti k životnému prostrediu, takže má veľký rozvojový potenciál.Vynález lítium-sírových batérií možno vystopovať do 60. rokov minulého storočia, keď Herbert a Ulam požiadali o patent na batérie.Prototyp tejto lítium-sírovej batérie používal lítium alebo zliatinu lítia ako materiál zápornej elektródy, síru ako materiál kladnej elektródy a pozostával z alifatických nasýtených amínov.elektrolytu.O niekoľko rokov neskôr boli lítium-sírové batérie vylepšené zavedením organických rozpúšťadiel, ako sú PC, DMSO a DMF, a získali sa batérie 2,35-2,5V.Koncom osemdesiatych rokov sa ukázalo, že étery sú užitočné v lítium-sírových batériách.V nasledujúcich štúdiách, objav elektrolytov na báze éteru, použitie LiNO3 ako prísady do elektrolytov a návrh uhlíkovo/sírových kompozitných pozitívnych elektród otvorili výskumný boom lítium-sírových batérií.
02 Princíp činnosti lítium-vzduchovej batérie a lítium-sírovej batérie
① Li-air batéria
Podľa rôznych stavov použitého elektrolytu možno lítium-vzduchové batérie rozdeliť na vodné systémy, organické systémy, vodno-organické hybridné systémy a celopevné lítium-vzduchové batérie.Medzi nimi, kvôli nízkej špecifickej kapacite lítium-vzduchových batérií používajúcich elektrolyty na vodnej báze, ťažkostiam pri ochrane lítiového kovu a zlej reverzibilite systému, sú nevodné organické lítium-vzduchové batérie a lítium-vzduchové batérie v tuhom stave. batérie sú v súčasnosti viac využívané.Výskum.Bezvodé lítium-vzduchové batérie prvýkrát navrhli Abraham a Z. Jiang v roku 1996. Rovnica reakcie vybíjania je znázornená na obrázku 1. Reakcia nabíjania je opačná.Elektrolyt používa hlavne organický elektrolyt alebo pevný elektrolyt a produkt vybíjania je hlavne Li2O2, produkt je nerozpustný v elektrolyte a ľahko sa hromadí na vzduchovej kladnej elektróde, čo ovplyvňuje vybíjaciu kapacitu lítium-vzduchovej batérie.
Lítium-vzduchové batérie majú výhody ultra vysokej hustoty energie, šetrnosti k životnému prostrediu a nízkej ceny, ale ich výskum je stále v plienkach a stále je potrebné vyriešiť veľa problémov, ako je napríklad katalýza reakcie na redukciu kyslíka, priepustnosť kyslíka a hydrofóbnosť vzduchových elektród a deaktivácia vzduchových elektród atď.
② Lítium-sírová batéria
Lítium-sírové batérie používajú hlavne elementárnu síru alebo zlúčeniny na báze síry ako materiál kladnej elektródy batérie a ako zápornú elektródu sa používa hlavne kovové lítium.Počas procesu vybíjania sa kovové lítium nachádzajúce sa na zápornej elektróde oxiduje, aby stratilo elektrón a generovalo lítiové ióny;potom sa elektróny prenesú na kladnú elektródu cez vonkajší obvod a vytvorené lítiové ióny sa tiež prenesú na kladnú elektródu cez elektrolyt, aby reagovali so sírou za vzniku polysulfidu.Lítium (LiPS) a potom ďalej reagovať, aby sa vytvoril sulfid lítny, aby sa dokončil proces vybíjania.Počas procesu nabíjania sa lítiové ióny v LiPS vracajú na zápornú elektródu cez elektrolyt, zatiaľ čo elektróny sa vracajú na zápornú elektródu cez vonkajší obvod, aby vytvorili lítium kov s iónmi lítia, a LiPS sa redukujú na síru na kladnej elektróde, aby sa dokončilo proces nabíjania.
Proces vybíjania lítium-sírových batérií je hlavne viacstupňová, viacelektrónová, viacfázová komplexná elektrochemická reakcia na sírovej katóde a LiPS s rôznou dĺžkou reťazca sa počas procesu nabíjania a vybíjania navzájom transformujú.Počas procesu vybíjania je reakcia, ktorá sa môže vyskytnúť na kladnej elektróde, znázornená na obrázku 2 a reakcia na zápornej elektróde je znázornená na obrázku 3.
Výhody lítium-sírových batérií sú veľmi zrejmé, ako napríklad veľmi vysoká teoretická kapacita;v materiáli nie je žiadny kyslík a nedôjde k reakcii na vývoj kyslíka, takže bezpečnostný výkon je dobrý;zdroje síry sú bohaté a elementárna síra je lacná;je šetrný k životnému prostrediu a má nízku toxicitu.Lítium-sírové batérie však majú aj niektoré náročné problémy, ako je kyvadlový efekt lítium-polysulfidu;izolácia elementárnej síry a produktov jej vypúšťania;problém veľkých objemových zmien;nestabilné SEI a bezpečnostné problémy spôsobené lítiovými anódami;fenomén samovybíjania a pod.
Ako nová generácia sekundárneho batériového systému majú lítium-vzduchové batérie a lítium-sírové batérie veľmi vysoké teoretické hodnoty špecifickej kapacity a pritiahli veľkú pozornosť výskumníkov a sekundárneho trhu batérií.V súčasnosti tieto dve batérie stále čelia mnohým vedeckým a technickým problémom.Sú v ranom štádiu výskumu vývoja batérií.Okrem toho, že je potrebné ďalej zlepšovať špecifickú kapacitu a stabilitu materiálu katódy batérie, je potrebné urýchlene vyriešiť aj kľúčové otázky, ako je bezpečnosť batérie.V budúcnosti tieto dva nové typy batérií stále potrebujú neustále technické zdokonaľovanie, aby sa odstránili ich chyby, aby sa otvorili širšie možnosti použitia.
Čas odoslania: Apr-07-2023