01 Što su litij-zračne baterije i litij-sumporne baterije?
① Li-zračna baterija
Litij-zračna baterija koristi kisik kao reaktant pozitivne elektrode, a metalni litij kao negativnu elektrodu.Ima visoku teoretsku gustoću energije (3500wh/kg), a stvarna gustoća energije može doseći 500-1000wh/kg, što je puno više od konvencionalnog sustava litij-ionske baterije.Litij-zračne baterije sastoje se od pozitivnih elektroda, elektrolita i negativnih elektroda.U nevodenim baterijskim sustavima, čisti kisik se trenutno koristi kao reakcijski plin, tako da se litij-zračne baterije mogu nazvati i litij-kisikovim baterijama.
Godine 1996. Abraham i sur.uspješno sastavili prvu nevodenu litij-zračnu bateriju u laboratoriju.Tada su istraživači počeli obraćati pozornost na unutarnju elektrokemijsku reakciju i mehanizam nevodenih litij-zračnih baterija;2002. godine, Read i sur.otkrili da elektrokemijska izvedba litij-zračnih baterija ovisi o elektrolitskom otapalu i materijalima zračne katode;2006. godine, Ogasawara i sur.Masenim spektrometrom po prvi put je dokazano da je Li2O2 oksidiran i da se tijekom punjenja oslobađa kisik, čime je potvrđena elektrokemijska reverzibilnost Li2O2.Stoga su litij-zračne baterije dobile veliku pozornost i brzi razvoj.
② Litij-sumporna baterija
Litij-sumporna baterija je sekundarni baterijski sustav koji se temelji na reverzibilnoj reakciji sumpora visokog specifičnog kapaciteta (1675mAh/g) i metalnog litija (3860mAh/g), s prosječnim naponom pražnjenja od oko 2,15V.Njegova teoretska gustoća energije može doseći 2600wh/kg.Njegove sirovine imaju prednosti niske cijene i prihvatljivosti za okoliš, tako da ima veliki razvojni potencijal.Izum litij-sumpornih baterija može se pratiti unazad do 1960-ih, kada su Herbert i Ulam prijavili patent za bateriju.Prototip ove litij-sumporne baterije koristio je litij ili slitinu litija kao materijal negativne elektrode, sumpor kao materijal pozitivne elektrode i sastavljen od alifatskih zasićenih amina.elektrolita.Nekoliko godina kasnije, litij-sumporne baterije su poboljšane uvođenjem organskih otapala kao što su PC, DMSO i DMF, te su dobivene baterije od 2,35-2,5V.Do kasnih 1980-ih dokazano je da su eteri korisni u litij-sumpornim baterijama.U kasnijim studijama, otkriće elektrolita na bazi etera, upotreba LiNO3 kao dodatka elektrolitu i prijedlog pozitivnih elektroda od kompozita ugljik/sumpor otvorili su procvat istraživanja litij-sumpornih baterija.
02 Princip rada litij-zračne baterije i litij-sumporne baterije
① Li-zračna baterija
Prema različitim stanjima upotrijebljenog elektrolita, litij-zračne baterije mogu se podijeliti na vodene sustave, organske sustave, vodeno-organske hibridne sustave i potpuno krute litij-zračne baterije.Među njima, zbog niskog specifičnog kapaciteta litij-zrak baterija koje koriste elektrolite na bazi vode, poteškoća u zaštiti metalnog litija i slabe reverzibilnosti sustava, nevodene organske litij-zrak baterije i litij-zrak u čvrstom stanju baterije se trenutno više koriste.Istraživanje.Nevodene litij-zračne baterije prvi su predložili Abraham i Z.Jiang 1996. Jednadžba reakcije pražnjenja prikazana je na slici 1. Reakcija punjenja je suprotna.Elektrolit uglavnom koristi organski elektrolit ili kruti elektrolit, a produkt pražnjenja je uglavnom Li2O2, proizvod je netopljiv u elektrolitu i lako se nakuplja na zračnoj pozitivnoj elektrodi, što utječe na kapacitet pražnjenja litij-zračne baterije.
Litij-zračne baterije imaju prednosti ultra-visoke gustoće energije, prihvatljivosti za okoliš i niske cijene, ali njihovo je istraživanje još uvijek u povojima i još uvijek postoje mnogi problemi koje treba riješiti, poput katalize reakcije redukcije kisika, propusnost kisika i hidrofobnost zračnih elektroda, te deaktivacija zračnih elektroda itd.
② Litij-sumporna baterija
Litij-sumporne baterije uglavnom koriste elementarni sumpor ili spojeve na bazi sumpora kao materijal pozitivne elektrode baterije, a metalni litij se uglavnom koristi za negativnu elektrodu.Tijekom procesa pražnjenja, metalni litij koji se nalazi na negativnoj elektrodi oksidira se kako bi izgubio elektron i generirao litijeve ione;tada se elektroni prenose na pozitivnu elektrodu kroz vanjski krug, a generirani litijevi ioni također se prenose na pozitivnu elektrodu kroz elektrolit kako bi reagirali sa sumporom i formirali polisulfid.Litij (LiPSs), a zatim dalje reagiraju kako bi proizveli litij sulfid da bi se dovršio proces pražnjenja.Tijekom procesa punjenja, litijevi ioni u LiPS-ovima vraćaju se na negativnu elektrodu kroz elektrolit, dok se elektroni vraćaju na negativnu elektrodu kroz vanjski krug kako bi formirali metalni litij s litijevim ionima, a LiPS-ovi se reduciraju u sumpor na pozitivnoj elektrodi kako bi dovršili proces punjenja. proces punjenja.
Proces pražnjenja litij-sumpornih baterija uglavnom je višestupanjska, višeelektronska, višefazna složena elektrokemijska reakcija na sumpornoj katodi, a LiPS s različitim duljinama lanca transformiraju se jedan u drugi tijekom procesa punjenja i pražnjenja.Tijekom procesa pražnjenja, reakcija koja se može dogoditi na pozitivnoj elektrodi prikazana je na slici 2, a reakcija na negativnoj elektrodi prikazana je na slici 3.
Prednosti litij-sumpornih baterija su vrlo očite, poput vrlo visokog teorijskog kapaciteta;u materijalu nema kisika i neće doći do reakcije oslobađanja kisika, tako da su sigurnosne performanse dobre;resursi sumpora su obilni, a elementarni sumpor je jeftin;ekološki je prihvatljiv i ima nisku toksičnost.Međutim, litij-sumporne baterije također imaju neke izazovne probleme, kao što je litij polisulfidni shuttle efekt;izolacija elementarnog sumpora i produkata njegovog ispuštanja;problem velikih promjena volumena;nestabilni SEI i sigurnosni problemi uzrokovani litijevim anodama;fenomen samopražnjenja itd.
Kao nova generacija sekundarnog baterijskog sustava, litij-zračne baterije i litij-sumporne baterije imaju vrlo visoke teoretske specifične vrijednosti kapaciteta i privukle su veliku pozornost istraživača i tržišta sekundarnih baterija.Trenutno se ove dvije baterije još uvijek suočavaju s mnogim znanstvenim i tehničkim problemima.Oni su u ranoj fazi istraživanja razvoja baterija.Osim specifičnog kapaciteta i stabilnosti materijala katode baterije koje je potrebno dodatno poboljšati, hitno je potrebno riješiti i ključna pitanja kao što je sigurnost baterije.U budućnosti ove dvije nove vrste baterija i dalje trebaju stalna tehnička poboljšanja kako bi se uklonili njihovi nedostaci kako bi se otvorile mogućnosti šire primjene.
Vrijeme objave: 7. travnja 2023