01 Що таке літій-повітряні та літій-сірчані батареї?
① Літій-повітряний акумулятор
Літій-повітряна батарея використовує кисень як позитивний електрод, а металевий літій – як негативний електрод.Він має високу теоретичну щільність енергії (3500 Вт·год/кг), а його фактична щільність енергії може досягати 500-1000 Вт·год/кг, що набагато вище, ніж у традиційної системи літій-іонних акумуляторів.Літій-повітряні батареї складаються з позитивних електродів, електролітів і негативних електродів.У неводних акумуляторних системах в даний час як реакційний газ використовується чистий кисень, тому літій-повітряні батареї також можна назвати літій-кисневими батареями.
У 1996 році Abraham et al.успішно зібрав у лабораторії перший неводний літій-повітряний акумулятор.Потім дослідники почали звертати увагу на внутрішню електрохімічну реакцію та механізм неводних літій-повітряних батарей;у 2002 році Read та ін.встановлено, що електрохімічні характеристики літій-повітряних батарей залежать від розчинника електроліту та матеріалів повітряного катода;у 2006 році Огасавара та ін.за допомогою мас-спектрометра вперше було доведено, що під час заряджання Li2O2 окислюється і виділяється кисень, що підтверджує електрохімічну оборотність Li2O2.Тому літій-повітряні батареї отримали велику увагу і швидкий розвиток.
② Літій-сірчаний акумулятор
Літій-сірчаний акумулятор — це вторинна акумуляторна система, заснована на оборотній реакції високої питомої ємності сірки (1675 мА·год/г) і металевого літію (3860 мА·год/г) із середньою напругою розряду близько 2,15 В.Його теоретична щільність енергії може досягати 2600 Вт·год/кг.Його сировина має переваги низької вартості та екологічності, тому має великий потенціал розвитку.Винахід літій-сірчаних батарей можна простежити до 1960-х років, коли Герберт і Улам подали заявку на патент на батарею.Прототип цієї літій-сірчаної батареї використовував літій або літієвий сплав як матеріал негативного електрода, сірку як матеріал позитивного електрода та складався з аліфатичних насичених амінів.електроліту.Через кілька років літій-сірчані батареї були вдосконалені шляхом введення органічних розчинників, таких як PC, DMSO і DMF, і були отримані батареї 2,35-2,5V.Наприкінці 1980-х було доведено, що ефіри корисні для літій-сірчаних акумуляторів.У наступних дослідженнях відкриття електролітів на основі ефіру, використання LiNO3 як добавки до електроліту та пропозиція вуглець/сірчаних композитних позитивних електродів відкрили бум досліджень літій-сірчаних батарей.
02 Принцип роботи літій-повітряної батареї та літій-сірчаної батареї
① Літій-повітряний акумулятор
Відповідно до різних станів електроліту, який використовується, літій-повітряні батареї можна розділити на водні системи, органічні системи, водно-органічні гібридні системи та повністю твердотільні літій-повітряні батареї.Серед них, через низьку питому ємність літій-повітряних акумуляторів, що використовують електроліти на водній основі, труднощі із захистом металевого літію та погану оборотність системи, неводні органічні літій-повітряні акумулятори та повністю твердотільні літій-повітря батареї в даний час використовуються більш широко.дослідження.Неводні літієво-повітряні батареї були вперше запропоновані Абрахамом і Цзяном у 1996 році. Рівняння реакції розряду показано на малюнку 1. Реакція заряджання протилежна.Електроліт в основному використовує органічний електроліт або твердий електроліт, а продуктом розряду є в основному Li2O2, продукт нерозчинний в електроліті та легко накопичується на повітряному позитивному електроді, впливаючи на розрядну ємність літій-повітряної батареї.
Літій-повітряні батареї мають такі переваги, як надвисока щільність енергії, екологічність і низька ціна, але їх дослідження все ще знаходяться в зародковому стані, і є ще багато проблем, які потрібно вирішити, наприклад, каталіз реакції відновлення кисню, киснепроникність і гідрофобність повітряних електродів, а також дезактивація повітряних електродів тощо.
② Літій-сірчаний акумулятор
Літій-сірчані батареї в основному використовують елементну сірку або сполуки на основі сірки як матеріал позитивного електрода батареї, а металевий літій в основному використовується як негативний електрод.Під час процесу розряду металевий літій, розташований на негативному електроді, окислюється, втрачаючи електрон і генеруючи іони літію;потім електрони переносяться на позитивний електрод через зовнішній контур, а згенеровані іони літію також переносяться на позитивний електрод через електроліт, щоб реагувати з сіркою з утворенням полісульфіду.Літій (LiPSs), а потім далі реагують з утворенням сульфіду літію для завершення процесу розряду.Під час процесу заряджання іони літію в LiPS повертаються до негативного електрода через електроліт, тоді як електрони повертаються до негативного електрода через зовнішню ланцюг, утворюючи металевий літій з іонами літію, а LiPS відновлюються до сірки на позитивному електроді для завершення процесу заряджання. процес зарядки.
Процес розряду літій-сірчаних акумуляторів — це в основному багатоетапна, багатоелектронна, багатофазна складна електрохімічна реакція на сірчаному катоді, і LiPS з різною довжиною ланцюга перетворюються один на одного під час процесу заряду-розряду.Під час процесу розряду реакція, яка може відбуватися на позитивному електроді, показана на малюнку 2, а реакція на негативному електроді показана на малюнку 3.
Переваги літій-сірчаних батарей дуже очевидні, наприклад, дуже висока теоретична ємність;у матеріалі немає кисню, і реакція виділення кисню не відбудеться, тому показники безпеки хороші;ресурси сірки рясні, а елементарна сірка дешева;він екологічно чистий і має низьку токсичність.Однак літій-сірчані батареї також мають деякі складні проблеми, такі як літієвий полісульфідний ефект човника;ізоляція елементарної сірки та продуктів її виділення;проблема великих змін обсягу;нестабільний SEI та проблеми безпеки, спричинені літієвими анодами;явище саморозряду тощо.
Як нове покоління системи вторинної батареї літій-повітряні та літій-сірчані батареї мають дуже високі теоретичні значення питомої ємності та привернули велику увагу дослідників і ринку вторинних батарей.Зараз ці дві батареї все ще стикаються з багатьма науковими та технічними проблемами.Вони знаходяться на ранній стадії досліджень розробки батарей.На додаток до конкретної ємності та стабільності катодного матеріалу батареї, що потребує подальшого вдосконалення, ключові питання, такі як безпека батареї, також потребують термінового вирішення.У майбутньому ці два нових типи батарей все ще потребують постійного технічного вдосконалення для усунення їхніх дефектів, щоб відкрити ширші перспективи застосування.
Час публікації: 07 квітня 2023 р