01 Kaj so litij-zračne baterije in litij-žveplove baterije?
① Li-zračna baterija
Litij-zračna baterija uporablja kisik kot reaktant pozitivne elektrode in kovinski litij kot negativno elektrodo.Ima visoko teoretično energijsko gostoto (3500wh/kg), njegova dejanska energijska gostota pa lahko doseže 500-1000wh/kg, kar je veliko več kot pri običajnem sistemu litij-ionskih baterij.Litij-zračne baterije so sestavljene iz pozitivnih elektrod, elektrolitov in negativnih elektrod.V nevodnih baterijskih sistemih se trenutno kot reakcijski plin uporablja čisti kisik, zato lahko litij-zračne baterije imenujemo tudi litij-kisikove baterije.
Leta 1996 sta Abraham et al.v laboratoriju uspešno sestavil prvo nevodno litij-zračno baterijo.Nato so raziskovalci začeli posvečati pozornost notranji elektrokemijski reakciji in mehanizmu nevodnih litij-zračnih baterij;leta 2002, Read et al.ugotovil, da je elektrokemična učinkovitost litij-zračnih baterij odvisna od elektrolitskega topila in materialov zračne katode;leta 2006, Ogasawara et al.z masnim spektrometrom je bilo prvič dokazano, da je med polnjenjem Li2O2 oksidiran in se je sprostil kisik, kar je potrdilo elektrokemično reverzibilnost Li2O2.Zato so bile litij-zračne baterije deležne velike pozornosti in hitrega razvoja.
② Litij-žveplova baterija
Litij-žveplova baterija je sekundarni baterijski sistem, ki temelji na reverzibilni reakciji žvepla z visoko specifično zmogljivostjo (1675 mAh/g) in kovinskega litija (3860 mAh/g), s povprečno napetostjo praznjenja približno 2,15 V.Njegova teoretična energijska gostota lahko doseže 2600wh/kg.Njegove surovine imajo prednosti nizkih stroškov in prijaznosti do okolja, zato ima velik razvojni potencial.Izum litij-žveplovih baterij sega v šestdeseta leta prejšnjega stoletja, ko sta Herbert in Ulam zaprosila za patent za baterijo.Prototip te litij-žveplove baterije je uporabil litij ali litijevo zlitino kot material negativne elektrode, žveplo kot material pozitivne elektrode in je bil sestavljen iz alifatskih nasičenih aminov.elektrolita.Nekaj let kasneje so litij-žveplove baterije izboljšali z uvedbo organskih topil, kot so PC, DMSO in DMF, in dobili baterije 2,35-2,5 V.Do poznih osemdesetih let prejšnjega stoletja so se izkazali za uporabne etre v litij-žveplovih baterijah.V poznejših študijah so odkritje elektrolitov na osnovi etra, uporaba LiNO3 kot dodatka elektrolitu in predlog pozitivnih elektrod iz kompozita ogljik/žveplo odprli raziskovalni razmah litij-žveplovih baterij.
02 Načelo delovanja litij-zračne baterije in litij-žveplove baterije
① Li-zračna baterija
Glede na različna stanja uporabljenega elektrolita lahko litij-zračne baterije razdelimo na vodne sisteme, organske sisteme, vodno-organske hibridne sisteme in polprevodniške litij-zračne baterije.Med njimi zaradi nizke specifične zmogljivosti litij-zračnih baterij, ki uporabljajo elektrolite na vodni osnovi, težav pri zaščiti kovinskega litija in slabe reverzibilnosti sistema, nevodne organske litij-zračne baterije in popolnoma trdne litij-zrak baterije se trenutno bolj uporabljajo.Raziskovanje.Abraham in Z.Jiang sta leta 1996 prvič predlagala nevodne litij-zračne baterije. Enačba reakcije praznjenja je prikazana na sliki 1. Reakcija polnjenja je nasprotna.Elektrolit uporablja predvsem organski elektrolit ali trden elektrolit, produkt praznjenja pa je v glavnem Li2O2, produkt je netopen v elektrolitu in se enostavno kopiči na zračni pozitivni elektrodi, kar vpliva na zmogljivost praznjenja litij-zračne baterije.
Litij-zračne baterije imajo prednosti ultravisoke gostote energije, prijaznosti do okolja in nizke cene, vendar so njihove raziskave še v povojih in še vedno je treba rešiti veliko problemov, kot je kataliza reakcije redukcije kisika, prepustnost kisika in hidrofobnost zračnih elektrod ter deaktivacija zračnih elektrod itd.
② Litij-žveplova baterija
Litij-žveplove baterije večinoma uporabljajo elementarno žveplo ali spojine na osnovi žvepla kot material pozitivne elektrode baterije, kovinski litij pa se uporablja predvsem za negativno elektrodo.Med postopkom praznjenja se kovinski litij, ki se nahaja na negativni elektrodi, oksidira, da izgubi elektron in ustvari litijeve ione;nato se elektroni prenesejo na pozitivno elektrodo skozi zunanje vezje, ustvarjeni litijevi ioni pa se prav tako prenesejo na pozitivno elektrodo skozi elektrolit, da reagirajo z žveplom in tvorijo polisulfid.Litij (LiPS), nato pa nadalje reagirajo, da ustvarijo litijev sulfid za dokončanje procesa praznjenja.Med postopkom polnjenja se litijevi ioni v LiPS vrnejo na negativno elektrodo skozi elektrolit, medtem ko se elektroni vrnejo na negativno elektrodo skozi zunanji tokokrog, da tvorijo kovinski litij z litijevimi ioni, LiPS pa se reducirajo v žveplo na pozitivni elektrodi, da dokončajo postopek polnjenja.
Postopek praznjenja litij-žveplovih baterij je v glavnem večstopenjska, večelektronska, večfazna kompleksna elektrokemijska reakcija na žveplovi katodi, LiPS z različnimi dolžinami verige pa se med postopkom polnjenja in praznjenja transformirajo drug v drugega.Med postopkom praznjenja je reakcija, ki se lahko pojavi na pozitivni elektrodi, prikazana na sliki 2, reakcija na negativni elektrodi pa na sliki 3.
Prednosti litij-žveplovih baterij so zelo očitne, na primer zelo visoka teoretična zmogljivost;v materialu ni kisika in ne bo prišlo do reakcije nastajanja kisika, zato je varnostna učinkovitost dobra;virov žvepla je veliko in elementarno žveplo je poceni;je okolju prijazen in ima nizko strupenost.Vendar pa imajo litij-žveplove baterije tudi nekaj zahtevnih težav, kot je litijev polisulfidni shuttle učinek;izolacija elementarnega žvepla in produktov njegovega izpusta;problem velikih sprememb volumna;nestabilni SEI in varnostne težave, ki jih povzročajo litijeve anode;pojav samopraznjenja itd.
Kot nova generacija sekundarnega baterijskega sistema imajo litij-zračne baterije in litij-žveplove baterije zelo visoke teoretične specifične vrednosti zmogljivosti in so pritegnile veliko pozornost raziskovalcev in trga sekundarnih baterij.Trenutno se ti dve bateriji še vedno soočata s številnimi znanstvenimi in tehničnimi težavami.So v zgodnji raziskovalni fazi razvoja baterij.Poleg specifične zmogljivosti in stabilnosti katodnega materiala akumulatorja, ki ga je treba še izboljšati, je treba nujno rešiti tudi ključna vprašanja, kot je varnost akumulatorja.V prihodnosti bosta ti dve novi vrsti baterij še vedno potrebovali nenehne tehnične izboljšave za odpravo njunih napak, da se odprejo širše možnosti uporabe.
Čas objave: Apr-07-2023