01 Kas ir litija-gaisa baterijas un litija-sēra baterijas?
① Li-gaisa akumulators
Litija-gaisa akumulators izmanto skābekli kā pozitīvo elektrodu reaģentu un metāla litiju kā negatīvo elektrodu.Tam ir augsts teorētiskais enerģijas blīvums (3500wh/kg), un tā faktiskais enerģijas blīvums var sasniegt 500-1000wh/kg, kas ir daudz augstāks nekā parastajai litija jonu akumulatoru sistēmai.Litija-gaisa baterijas sastāv no pozitīviem elektrodiem, elektrolītiem un negatīviem elektrodiem.Neūdens akumulatoru sistēmās pašlaik kā reakcijas gāze tiek izmantots tīrs skābeklis, tāpēc litija-gaisa baterijas var saukt arī par litija-skābekļa baterijām.
1996. gadā Abraham et al.laboratorijā veiksmīgi samontēja pirmo bezūdens litija-gaisa akumulatoru.Tad pētnieki sāka pievērst uzmanību neūdens litija-gaisa akumulatoru iekšējai elektroķīmiskajai reakcijai un mehānismam;2002. gadā Read et al.atklāja, ka litija-gaisa bateriju elektroķīmiskā veiktspēja bija atkarīga no elektrolīta šķīdinātāja un gaisa katoda materiāliem;2006. gadā Ogasawara et al.izmantots masas spektrometrs, pirmo reizi tika pierādīts, ka Li2O2 ir oksidēts un lādēšanas laikā izdalās skābeklis, kas apstiprināja Li2O2 elektroķīmisko atgriezeniskumu.Tāpēc litija-gaisa baterijas ir saņēmušas lielu uzmanību un strauju attīstību.
② Litija-sēra akumulators
Litija-sēra akumulators ir sekundāra akumulatoru sistēma, kuras pamatā ir lielas īpatnējās jaudas sēra (1675 mAh/g) un litija metāla (3860 mAh/g) atgriezeniska reakcija ar vidējo izlādes spriegumu aptuveni 2,15 V.Tā teorētiskais enerģijas blīvums var sasniegt 2600wh/kg.Tā izejmateriāliem ir zemu izmaksu un videi draudzīguma priekšrocības, tāpēc tai ir liels attīstības potenciāls.Litija-sēra akumulatoru izgudrojumu var izsekot pagājušā gadsimta 60. gados, kad Herberts un Ulams pieteicās akumulatora patentam.Šī litija-sēra akumulatora prototips izmantoja litiju vai litija sakausējumu kā negatīvo elektrodu materiālu, sēru kā pozitīvā elektroda materiālu un sastāvēja no alifātiskajiem piesātinātajiem amīniem.no elektrolīta.Dažus gadus vēlāk litija sēra baterijas tika uzlabotas, ieviešot organiskos šķīdinātājus, piemēram, PC, DMSO un DMF, un tika iegūtas 2,35–2,5 V baterijas.Līdz 1980. gadu beigām tika pierādīts, ka ēteri ir noderīgi litija sēra baterijās.Turpmākajos pētījumos uz ētera bāzes izgatavotu elektrolītu atklāšana, LiNO3 izmantošana kā elektrolīta piedevas un oglekļa/sēra kompozītmateriālu pozitīvo elektrodu piedāvājums ir pavēris litija-sēra akumulatoru pētniecības uzplaukumu.
02 Litija-gaisa akumulatora un litija-sēra akumulatora darbības princips
① Li-gaisa akumulators
Atbilstoši dažādiem izmantotā elektrolīta stāvokļiem litija-gaisa akumulatorus var iedalīt ūdens sistēmās, organiskajās sistēmās, ūdens-organiskās hibrīda sistēmās un cietvielu litija-gaisa akumulatoros.Tostarp litija-gaisa akumulatoru zemās īpatnējās ietilpības dēļ, kurās izmanto uz ūdens bāzes izgatavotus elektrolītus, litija metāla aizsardzības grūtības un sistēmas vājās atgriezeniskās spējas dēļ, neūdens organiskās litija-gaisa baterijas un pilnīgi cietvielu litija-gaiss. baterijas šobrīd tiek izmantotas plašāk.Pētījumi.Neūdens litija-gaisa baterijas pirmo reizi ierosināja Abraham un Z. Jiang 1996. gadā. Izlādes reakcijas vienādojums ir parādīts 1. attēlā. Uzlādes reakcija ir pretēja.Elektrolīts galvenokārt izmanto organisko elektrolītu vai cieto elektrolītu, un izlādes produkts galvenokārt ir Li2O2, produkts nešķīst elektrolītā un ir viegli uzkrāts uz gaisa pozitīvā elektroda, ietekmējot litija-gaisa akumulatora izlādes jaudu.
Litija-gaisa akumulatoru priekšrocības ir īpaši augsts enerģijas blīvums, videi draudzīgums un zemā cena, taču to izpēte joprojām ir sākuma stadijā, un joprojām ir jāatrisina daudzas problēmas, piemēram, skābekļa reducēšanas reakcijas katalīze, gaisa elektrodu skābekļa caurlaidība un hidrofobitāte, kā arī gaisa elektrodu deaktivizēšana utt.
② Litija-sēra akumulators
Litija-sēra akumulatoros galvenokārt izmanto elementāru sēru vai sēra savienojumus kā akumulatora pozitīvo elektrodu materiālu, un metāliskais litijs galvenokārt tiek izmantots negatīvajam elektrodam.Izlādes procesā metāla litijs, kas atrodas pie negatīvā elektroda, tiek oksidēts, zaudējot elektronu un radot litija jonus;tad elektroni tiek pārnesti uz pozitīvo elektrodu caur ārējo ķēdi, un radītie litija joni tiek pārnesti arī uz pozitīvo elektrodu caur elektrolītu, lai reaģētu ar sēru, veidojot polisulfīdu.Litijs (LiPS) un pēc tam tālāk reaģē, lai radītu litija sulfīdu, lai pabeigtu izlādes procesu.Uzlādes procesā LiPS esošie litija joni caur elektrolītu atgriežas negatīvajā elektrodā, savukārt elektroni caur ārēju ķēdi atgriežas negatīvajā elektrodā, veidojot litija metālu ar litija joniem, un LiPS tiek reducēti uz sēru pie pozitīvā elektroda, lai pabeigtu elektrolītu. uzlādes process.
Litija-sēra akumulatoru izlādes process galvenokārt ir daudzpakāpju, daudzelektronu, daudzfāžu sarežģīta elektroķīmiskā reakcija uz sēra katoda, un LiPS ar dažādu ķēdes garumu uzlādes-izlādes procesa laikā tiek pārveidoti viens par otru.Izlādes procesa laikā reakcija, kas var rasties pie pozitīvā elektroda, ir parādīta 2. attēlā, un reakcija uz negatīvo elektrodu ir parādīta 3. attēlā.
Litija-sēra akumulatoru priekšrocības ir ļoti acīmredzamas, piemēram, ļoti augsta teorētiskā kapacitāte;materiālā nav skābekļa, un skābekļa izdalīšanās reakcija nenotiks, tāpēc drošības rādītāji ir labi;sēra resursi ir bagātīgi un elementārais sērs ir lēts;tas ir videi draudzīgs un ar zemu toksicitāti.Tomēr litija-sēra akumulatoriem ir arī dažas sarežģītas problēmas, piemēram, litija polisulfīda atspoles efekts;elementārā sēra un tā izplūdes produktu izolācija;liela apjoma izmaiņu problēma;nestabilās SEI un drošības problēmas, ko izraisa litija anodi;pašizlādes parādība utt.
Kā jaunas paaudzes sekundāro akumulatoru sistēmai litija-gaisa akumulatoriem un litija-sēra akumulatoriem ir ļoti augstas teorētiskās īpatnējās jaudas vērtības, un tās ir piesaistījušas plašu pētnieku un sekundāro akumulatoru tirgus uzmanību.Pašlaik šīs divas baterijas joprojām saskaras ar daudzām zinātniskām un tehniskām problēmām.Tie ir akumulatoru izstrādes agrīnā izpētes stadijā.Papildus akumulatora katoda materiāla īpašajai ietilpībai un stabilitātei, kas ir jāuzlabo, steidzami jāatrisina arī tādi galvenie jautājumi kā akumulatora drošība.Nākotnē šiem diviem jaunajiem akumulatoru veidiem joprojām ir nepieciešami nepārtraukti tehniski uzlabojumi, lai novērstu to defektus, lai pavērtu plašākas pielietošanas iespējas.
Publicēšanas laiks: 07.07.2023