01 Hva er litium-luft-batterier og litium-svovel-batterier?
① Li-air batteri
Litium-luftbatteriet bruker oksygen som positiv elektrodereaktant og metalllitium som negativ elektrode.Den har en høy teoretisk energitetthet (3500wh/kg), og dens faktiske energitetthet kan nå 500-1000wh/kg, som er mye høyere enn det konvensjonelle litiumionbatterisystemet.Litium-luft-batterier er sammensatt av positive elektroder, elektrolytter og negative elektroder.I ikke-vandige batterisystemer brukes i dag rent oksygen som reaksjonsgass, så litium-luft-batterier kan også kalles litium-oksygen-batterier.
I 1996, Abraham et al.vellykket montert det første ikke-vandige litium-luftbatteriet i laboratoriet.Så begynte forskere å ta hensyn til den interne elektrokjemiske reaksjonen og mekanismen til ikke-vandige litium-luft-batterier;i 2002, Read et al.fant at den elektrokjemiske ytelsen til litium-luftbatterier var avhengig av elektrolyttløsningsmidlet og luftkatodematerialene;i 2006, Ogasawara et al.brukte massespektrometer, ble det bevist for første gang at Li2O2 ble oksidert og oksygen ble frigjort under lading, noe som bekreftet den elektrokjemiske reversibiliteten til Li2O2.Derfor har litium-luft-batterier fått mye oppmerksomhet og rask utvikling.
② Litium-svovelbatteri
Litium-svovelbatteri er et sekundært batterisystem basert på den reversible reaksjonen av svovel med høy spesifikk kapasitet (1675mAh/g) og litiummetall (3860mAh/g), med en gjennomsnittlig utladningsspenning på ca. 2,15V.Dens teoretiske energitetthet kan nå 2600wh/kg.Råvarene har fordelene med lav pris og miljøvennlighet, så den har et stort utviklingspotensial.Oppfinnelsen av litium-svovel-batterier kan spores tilbake til 1960-tallet, da Herbert og Ulam søkte om batteripatent.Prototypen til dette litium-svovelbatteriet brukte litium eller litiumlegering som negativt elektrodemateriale, svovel som positivt elektrodemateriale og sammensatt av alifatiske mettede aminer.av elektrolytt.Noen år senere ble litium-svovelbatterier forbedret ved å introdusere organiske løsningsmidler som PC, DMSO og DMF, og 2,35-2,5V batterier ble oppnådd.På slutten av 1980-tallet ble etere bevist å være nyttige i litium-svovelbatterier.I påfølgende studier har oppdagelsen av eterbaserte elektrolytter, bruken av LiNO3 som et elektrolytttilsetningsstoff og forslaget om karbon/svovelkompositt-positive elektroder åpnet for forskningsboomen til litium-svovelbatterier.
02 Arbeidsprinsipp for litium-luftbatteri og litium-svovelbatteri
① Li-air batteri
I henhold til de forskjellige tilstandene til elektrolytten som brukes, kan litium-luft-batterier deles inn i vandige systemer, organiske systemer, vannorganiske hybridsystemer og hel-solid-state litium-luft-batterier.Blant dem, på grunn av den lave spesifikke kapasiteten til litium-luft-batterier som bruker vannbaserte elektrolytter, vanskeligheter med å beskytte litiummetall og dårlig reversibilitet av systemet, ikke-vandige organiske litium-luft-batterier og all-solid-state litium-luft batterier er mer utbredt i dag.Forskning.Ikke-vandige litium-luft-batterier ble først foreslått av Abraham og Z.Jiang i 1996. Utladningsreaksjonsligningen er vist i figur 1. Ladereaksjonen er motsatt.Elektrolytten bruker hovedsakelig organisk elektrolytt eller fast elektrolytt, og utladningsproduktet er hovedsakelig Li2O2, produktet er uløselig i elektrolytten og er lett å samle på den positive luftelektroden, noe som påvirker utladningskapasiteten til litium-luftbatteriet.
Litium-luft-batterier har fordelene med ultrahøy energitetthet, miljøvennlighet og lav pris, men forskningen deres er fortsatt i sin spede begynnelse, og det er fortsatt mange problemer som må løses, for eksempel katalyse av oksygenreduksjonsreaksjonen, oksygenpermeabilitet og hydrofobitet til luftelektroder, og deaktivering av luftelektroder etc.
② Litium-svovelbatteri
Litium-svovelbatterier bruker hovedsakelig elementært svovel eller svovelbaserte forbindelser som det positive elektrodematerialet til batteriet, og metallisk litium brukes hovedsakelig for den negative elektroden.Under utladningsprosessen oksideres metalllitiumet ved den negative elektroden for å miste et elektron og generere litiumioner;deretter overføres elektronene til den positive elektroden gjennom den eksterne kretsen, og de genererte litiumionene overføres også til den positive elektroden gjennom elektrolytten for å reagere med svovel for å danne polysulfid.Litium (LiPSs), og deretter reagere videre for å generere litiumsulfid for å fullføre utslippsprosessen.Under ladeprosessen går litiumioner i LiPS-er tilbake til den negative elektroden gjennom elektrolytten, mens elektroner går tilbake til den negative elektroden gjennom en ekstern krets for å danne litiummetall med litiumioner, og LiPS-er reduseres til svovel ved den positive elektroden for å fullføre ladeprosess.
Utladningsprosessen til litium-svovel-batterier er hovedsakelig en flertrinns, multi-elektron, flerfase kompleks elektrokjemisk reaksjon på svovelkatoden, og LiPS-er med forskjellige kjedelengder omdannes til hverandre under lade-utladningsprosessen.Under utladningsprosessen er reaksjonen som kan oppstå ved den positive elektroden vist i figur 2, og reaksjonen ved den negative elektroden er vist i figur 3.
Fordelene med litium-svovel-batterier er veldig åpenbare, for eksempel svært høy teoretisk kapasitet;det er ikke oksygen i materialet, og oksygenutviklingsreaksjonen vil ikke forekomme, så sikkerhetsytelsen er god;svovelressurser er rikelig og elementært svovel er billig;det er miljøvennlig og har lav toksisitet.Litium-svovel-batterier har imidlertid også noen utfordrende problemer, for eksempel litiumpolysulfid-skytteleffekten;isolasjon av elementært svovel og dets utslippsprodukter;problemet med store volumendringer;ustabile SEI og sikkerhetsproblemer forårsaket av litiumanoder;selvutladningsfenomen, etc.
Som en ny generasjon sekundærbatterisystem har litium-luftbatterier og litium-svovelbatterier svært høye teoretiske spesifikke kapasitetsverdier, og har tiltrukket seg stor oppmerksomhet fra forskere og sekundærbatterimarkedet.For tiden står disse to batteriene fortsatt overfor mange vitenskapelige og tekniske problemer.De er i det tidlige forskningsstadiet av batteriutvikling.I tillegg til at den spesifikke kapasiteten og stabiliteten til batterikatodematerialet må forbedres ytterligere, må nøkkelproblemer som batterisikkerhet også løses snarest.I fremtiden trenger disse to nye batteritypene fortsatt kontinuerlige tekniske forbedringer for å eliminere feilene for å åpne opp for bredere bruksmuligheter.
Innleggstid: Apr-07-2023