01 Ce sunt bateriile litiu-aer și bateriile litiu-sulf?
① Baterie Li-air
Bateria litiu-aer folosește oxigen ca reactant electrod pozitiv și litiu metalic ca electrod negativ.Are o densitate teoretică mare de energie (3500wh/kg), iar densitatea sa reală de energie poate ajunge la 500-1000wh/kg, ceea ce este mult mai mare decât sistemul convențional de baterii litiu-ion.Bateriile litiu-aer sunt compuse din electrozi pozitivi, electroliți și electrozi negativi.În sistemele de baterii neapoase, oxigenul pur este utilizat în prezent ca gaz de reacție, astfel încât bateriile litiu-aer pot fi numite și baterii litiu-oxigen.
În 1996, Abraham și colab.a asamblat cu succes prima baterie litiu-aer neapoasă în laborator.Apoi, cercetătorii au început să acorde atenție reacției electrochimice interne și mecanismului bateriilor neapoase litiu-aer;în 2002, Read et al.a constatat că performanța electrochimică a bateriilor litiu-aer depindea de solventul electrolit și de materialele catodelor de aer;în 2006, Ogasawara et al.folosit spectrometrul de masă, s-a dovedit pentru prima dată că Li2O2 a fost oxidat și oxigen a fost eliberat în timpul încărcării, ceea ce a confirmat reversibilitatea electrochimică a Li2O2.Prin urmare, bateriile litiu-aer au primit multă atenție și o dezvoltare rapidă.
② Baterie cu litiu-sulf
Bateria litiu-sulf este un sistem de baterii secundare bazat pe reacția reversibilă a sulfului cu capacitate specifică mare (1675mAh/g) și litiu metalic (3860mAh/g), cu o tensiune medie de descărcare de aproximativ 2,15V.Densitatea sa teoretică de energie poate ajunge la 2600wh/kg.Materiile sale prime au avantajele costurilor reduse și ecologice, astfel încât are un mare potențial de dezvoltare.Invenția bateriilor cu litiu-sulf poate fi urmărită încă din anii 1960, când Herbert și Ulam au solicitat un brevet pentru baterii.Prototipul acestei baterii cu litiu-sulf a folosit litiu sau aliaj de litiu ca material electrod negativ, sulf ca material electrod pozitiv și compus din amine saturate alifatice.de electrolit.Câțiva ani mai târziu, bateriile cu litiu-sulf au fost îmbunătățite prin introducerea de solvenți organici precum PC, DMSO și DMF și s-au obținut baterii de 2,35-2,5V.Până la sfârșitul anilor 1980, eterii s-au dovedit a fi utili în bateriile cu litiu-sulf.În studiile ulterioare, descoperirea electroliților pe bază de eter, utilizarea LiNO3 ca aditiv electrolitic și propunerea de electrozi pozitivi din compoziție carbon/sulf au deschis boom-ul cercetării bateriilor litiu-sulf.
02 Principiul de funcționare al bateriei litiu-aer și al bateriei litiu-sulf
① Baterie Li-air
În funcție de diferitele stări ale electrolitului utilizat, bateriile litiu-aer pot fi împărțite în sisteme apoase, sisteme organice, sisteme hibride apă-organice și baterii litiu-aer în stare solidă.Printre acestea, din cauza capacității specifice scăzute a bateriilor litiu-aer care utilizează electroliți pe bază de apă, a dificultăților în protejarea litiului metalic și a reversibilității slabe a sistemului, a bateriilor organice litiu-aer neapoase și a litiu-aer în stare solidă. bateriile sunt mai utilizate în prezent.Cercetare.Bateriile neapoase litiu-aer au fost propuse pentru prima dată de Abraham și Z.Jiang în 1996. Ecuația reacției de descărcare este prezentată în Figura 1. Reacția de încărcare este inversă.Electrolitul folosește în principal electrolit organic sau electrolit solid, iar produsul de descărcare este în principal Li2O2, produsul este insolubil în electrolit și este ușor de acumulat pe electrodul pozitiv de aer, afectând capacitatea de descărcare a bateriei litiu-aer.
Bateriile litiu-aer au avantajele unei densități de energie ultra-înalte, ecologice și preț scăzut, dar cercetarea lor este încă la început și mai sunt încă multe probleme de rezolvat, cum ar fi cataliza reacției de reducere a oxigenului, permeabilitatea la oxigen și hidrofobicitatea electrozilor de aer și dezactivarea electrozilor de aer etc.
② Baterie cu litiu-sulf
Bateriile cu litiu-sulf folosesc în principal sulf elementar sau compuși pe bază de sulf ca material pentru electrodul pozitiv al bateriei, iar litiul metalic este folosit în principal pentru electrodul negativ.În timpul procesului de descărcare, litiul metalic situat la electrodul negativ este oxidat pentru a pierde un electron și a genera ioni de litiu;apoi electronii sunt transferați la electrodul pozitiv prin circuitul extern, iar ionii de litiu generați sunt, de asemenea, transferați la electrodul pozitiv prin electrolit pentru a reacționa cu sulful pentru a forma polisulfură.Litiu (LiPS) și apoi reacționează în continuare pentru a genera sulfură de litiu pentru a finaliza procesul de descărcare.În timpul procesului de încărcare, ionii de litiu din LiPS revin la electrodul negativ prin electrolit, în timp ce electronii revin la electrodul negativ printr-un circuit extern pentru a forma litiu metalic cu ioni de litiu, iar LiPS-urile sunt reduse la sulf la electrodul pozitiv pentru a finaliza procesul de încărcare.
Procesul de descărcare a bateriilor cu litiu-sulf este în principal o reacție electrochimică complexă în mai multe etape, cu mai mulți electroni, pe mai multe faze pe catodul de sulf, iar LiPS-urile cu lungimi de lanț diferite sunt transformate unele în altele în timpul procesului de încărcare-descărcare.În timpul procesului de descărcare, reacția care poate avea loc la electrodul pozitiv este prezentată în Figura 2, iar reacția la electrodul negativ este prezentată în Figura 3.
Avantajele bateriilor cu litiu-sulf sunt foarte evidente, cum ar fi capacitatea teoretică foarte mare;nu există oxigen în material, iar reacția de evoluție a oxigenului nu va avea loc, astfel încât performanța de siguranță este bună;resursele de sulf sunt abundente, iar sulful elementar este ieftin;este prietenos cu mediul și are toxicitate scăzută.Cu toate acestea, bateriile cu litiu-sulf au și unele probleme provocatoare, cum ar fi efectul de navetă cu polisulfură de litiu;izolarea sulfului elementar și a produselor de descărcare a acestuia;problema modificărilor mari de volum;SEI instabil și probleme de siguranță cauzate de anozii de litiu;fenomen de autodescărcare etc.
Ca o nouă generație de sistem de baterii secundare, bateriile litiu-aer și bateriile litiu-sulf au valori teoretice foarte mari ale capacității specifice și au atras o atenție extinsă din partea cercetătorilor și a pieței bateriilor secundare.În prezent, aceste două baterii se confruntă încă cu multe probleme științifice și tehnice.Sunt în stadiul incipient de cercetare al dezvoltării bateriilor.Pe lângă capacitatea și stabilitatea specifică a materialului catodului bateriei care trebuie îmbunătățite în continuare, problemele cheie, cum ar fi siguranța bateriei, trebuie să fie rezolvate urgent.Pe viitor, aceste două noi tipuri de baterii au nevoie în continuare de îmbunătățiri tehnice continue pentru a-și elimina defectele pentru a deschide perspective mai largi de aplicare.
Ora postării: Apr-07-2023