01 Co jsou lithium-vzduchové baterie a lithium-sírové baterie?
① Li-air baterie
Lithium-vzduchová baterie využívá kyslík jako kladnou elektrodu a jako zápornou elektrodu kovové lithium.Má vysokou teoretickou hustotu energie (3500wh/kg) a jeho skutečná energetická hustota může dosáhnout 500-1000wh/kg, což je mnohem více než u konvenčního lithium-iontového bateriového systému.Lithium-vzduchové baterie se skládají z kladných elektrod, elektrolytů a záporných elektrod.V nevodných bateriových systémech se v současnosti jako reakční plyn používá čistý kyslík, takže lithium-vzduchové baterie lze také nazývat lithium-kyslíkové baterie.
V roce 1996 Abraham a kol.úspěšně sestavil v laboratoři první nevodnou lithium-vzduchovou baterii.Poté začali vědci věnovat pozornost vnitřní elektrochemické reakci a mechanismu nevodných lithium-vzduchových baterií;v roce 2002, Read a kol.zjistili, že elektrochemický výkon lithium-vzduchových baterií závisí na rozpouštědle elektrolytu a materiálech vzduchové katody;v roce 2006 Ogasawara a kol.použitého hmotnostního spektrometru, bylo poprvé prokázáno, že Li2O2 byl oxidován a při nabíjení se uvolňoval kyslík, což potvrdilo elektrochemickou reverzibilitu Li2O2.Proto se lithium-vzduchovým bateriím dostalo velké pozornosti a rychlého vývoje.
② Lithium-sírová baterie
Lithium-sirná baterie je sekundární bateriový systém založený na reverzibilní reakci síry s vysokou specifickou kapacitou (1675mAh/g) a kovového lithia (3860mAh/g), s průměrným vybíjecím napětím asi 2,15V.Jeho teoretická hustota energie může dosáhnout 2600 Wh/kg.Jeho suroviny mají výhody nízké ceny a šetrnosti k životnímu prostředí, takže má velký rozvojový potenciál.Vynález lithium-sírových baterií lze vysledovat do 60. let minulého století, kdy Herbert a Ulam požádali o patent na baterie.Prototyp této lithium-sírové baterie používal lithium nebo slitinu lithia jako materiál záporné elektrody, síru jako materiál kladné elektrody a skládal se z alifatických nasycených aminů.elektrolytu.O několik let později byly lithium-sírové baterie vylepšeny zavedením organických rozpouštědel, jako jsou PC, DMSO a DMF, a byly získány baterie 2,35-2,5V.Koncem 80. let bylo prokázáno, že ethery jsou užitečné v lithium-sirných bateriích.V následných studiích, objev elektrolytů na bázi etheru, použití LiNO3 jako přísady do elektrolytu a návrh uhlíkových a sírových kompozitních kladných elektrod otevřely výzkumný boom lithium-sírových baterií.
02 Princip činnosti lithium-vzduchové baterie a lithium-sírové baterie
① Li-air baterie
Podle různých skupenství použitého elektrolytu lze lithium-vzduchové baterie rozdělit na vodné systémy, organické systémy, hybridní systémy voda-organické a plně pevné lithium-vzduchové baterie.Mezi nimi, kvůli nízké specifické kapacitě lithium-vzduchových baterií používajících elektrolyty na vodní bázi, potížím s ochranou lithiového kovu a špatné reverzibilitě systému, nevodné organické lithium-vzduchové baterie a plně pevné lithium-vzduchové baterie v současné době se více používají baterie.Výzkum.Nevodné lithium-vzduchové baterie byly poprvé navrženy Abrahamem a Z. Jiangem v roce 1996. Rovnice vybíjecí reakce je znázorněna na obrázku 1. Nabíjecí reakce je opačná.Elektrolyt používá hlavně organický elektrolyt nebo pevný elektrolyt a vybíjecí produkt je hlavně Li2O2, produkt je nerozpustný v elektrolytu a snadno se akumuluje na vzduchové kladné elektrodě, což ovlivňuje vybíjecí kapacitu lithium-vzduchové baterie.
Lithium-vzduchové baterie mají výhody ultra vysoké energetické hustoty, šetrnosti k životnímu prostředí a nízké ceny, ale jejich výzkum je stále v plenkách a stále zbývá vyřešit mnoho problémů, jako je například katalýza reakce redukce kyslíku, propustnost kyslíku a hydrofobnost vzduchových elektrod a deaktivace vzduchových elektrod atd.
② Lithium-sírová baterie
Lithium-sírové baterie používají hlavně elementární síru nebo sloučeniny na bázi síry jako materiál kladné elektrody baterie a kovové lithium se používá hlavně pro zápornou elektrodu.Během procesu vybíjení je kovové lithium umístěné na záporné elektrodě oxidováno, aby ztratilo elektron a vytvořilo ionty lithia;poté jsou elektrony přeneseny na kladnou elektrodu prostřednictvím vnějšího obvodu a vytvořené ionty lithia jsou rovněž přeneseny na kladnou elektrodu prostřednictvím elektrolytu, aby reagovaly se sírou za vzniku polysulfidu.Lithium (LiPS) a poté dále reagovat za vzniku sulfidu lithného, aby se dokončil proces vybíjení.Během nabíjecího procesu se ionty lithia v LiPS vracejí na zápornou elektrodu přes elektrolyt, zatímco elektrony se vracejí na zápornou elektrodu přes vnější obvod za vzniku lithiového kovu s lithiovými ionty a LiPS se redukují na síru na kladné elektrodě, aby se dokončil proces nabíjení.
Proces vybíjení lithium-sírových baterií je převážně vícestupňová, víceelektronová, vícefázová komplexní elektrochemická reakce na sirné katodě a LiPS s různou délkou řetězce se během procesu nabíjení-vybíjení vzájemně transformují.Během procesu vybíjení je reakce, která může nastat na kladné elektrodě, znázorněna na obrázku 2 a reakce na záporné elektrodě je znázorněna na obrázku 3.
Výhody lithium-sírových baterií jsou velmi zřejmé, jako je velmi vysoká teoretická kapacita;v materiálu není žádný kyslík a nedojde k reakci vývoje kyslíku, takže bezpečnostní výkon je dobrý;zdroje síry jsou bohaté a elementární síra je levná;je šetrný k životnímu prostředí a má nízkou toxicitu.Lithium-sírové baterie však mají také některé náročné problémy, jako je kyvadlový efekt lithium polysulfid;izolace elementární síry a jejích produktů vypouštění;problém velkých objemových změn;nestabilní SEI a bezpečnostní problémy způsobené lithiovými anodami;jev samovybíjení atd.
Jako nová generace sekundárního bateriového systému mají lithium-vzduchové baterie a lithium-sírové baterie velmi vysoké teoretické hodnoty specifické kapacity a přitáhly rozsáhlou pozornost výzkumníků a sekundárního trhu baterií.V současné době tyto dvě baterie stále čelí mnoha vědeckým a technickým problémům.Jsou v rané fázi výzkumu vývoje baterií.Kromě specifické kapacity a stability katodového materiálu baterie, které je třeba dále zlepšit, je také nutné naléhavě vyřešit klíčové problémy, jako je bezpečnost baterie.Tyto dva nové typy baterií potřebují i v budoucnu neustálé technické zlepšování, aby se odstranily jejich vady, aby se otevřely širší možnosti uplatnění.
Čas odeslání: duben-07-2023