01 Что такое литий-воздушные батареи и литий-серные батареи?
① Литий-воздушная батарея
Литий-воздушная батарея использует кислород в качестве реагента положительного электрода и металлический литий в качестве отрицательного электрода.Он имеет высокую теоретическую плотность энергии (3500 Втч/кг), а фактическая плотность энергии может достигать 500-1000 Втч/кг, что намного выше, чем у обычной литий-ионной аккумуляторной системы.Литий-воздушные батареи состоят из положительных электродов, электролитов и отрицательных электродов.В неводных аккумуляторных системах в качестве реакционного газа в настоящее время используется чистый кислород, поэтому литий-воздушные аккумуляторы также можно назвать литий-кислородными.
В 1996 г. Абрахам и соавт.успешно собрал первую неводную литий-воздушную батарею в лаборатории.Затем исследователи стали обращать внимание на внутреннюю электрохимическую реакцию и механизм неводных литий-воздушных батарей;в 2002 г. Рид и соавт.обнаружили, что электрохимические характеристики литий-воздушных батарей зависят от растворителя электролита и материалов воздушного катода;в 2006 г. Ogasawara et al.При использовании масс-спектрометра впервые было доказано, что Li2O2 окисляется и выделяется кислород при зарядке, что подтверждает электрохимическую обратимость Li2O2.Поэтому литий-воздушные батареи получили большое внимание и быстрое развитие.
② Литий-серный аккумулятор
Литий-серный аккумулятор представляет собой вторичную аккумуляторную систему, основанную на обратимой реакции серы с высокой удельной емкостью (1675 мАч/г) и металлического лития (3860 мАч/г) со средним напряжением разряда около 2,15 В.Его теоретическая плотность энергии может достигать 2600 Втч/кг.Его сырье имеет преимущества низкой стоимости и экологичности, поэтому оно имеет большой потенциал развития.Изобретение литий-серных батарей восходит к 1960-м годам, когда Герберт и Улам подали заявку на патент батареи.Прототип этой литий-серной батареи использовал литий или литиевый сплав в качестве материала отрицательного электрода, серу в качестве материала положительного электрода и состоял из алифатических насыщенных аминов.электролита.Несколько лет спустя литий-серные аккумуляторы были усовершенствованы за счет введения органических растворителей, таких как ПК, ДМСО и ДМФА, и были получены аккумуляторы на 2,35-2,5 В.К концу 1980-х было доказано, что эфиры можно использовать в литий-серных батареях.В последующих исследованиях открытие электролитов на основе эфира, использование LiNO3 в качестве добавки к электролиту и предложение углеродно-серных композитных положительных электродов открыли бум исследований литий-серных аккумуляторов.
02 Принцип работы литий-воздушной батареи и литий-серной батареи
① Литий-воздушная батарея
В соответствии с различными состояниями используемого электролита литий-воздушные батареи можно разделить на водные системы, органические системы, водно-органические гибридные системы и полностью твердотельные литий-воздушные батареи.Среди них из-за низкой удельной емкости литий-воздушных аккумуляторов с использованием электролитов на водной основе, трудностей защиты металлического лития и плохой обратимости системы неводные органические литий-воздушные аккумуляторы и полностью твердотельные литий-воздушные аккумуляторы. в настоящее время более широко используются аккумуляторы.Исследовать.Неводные литий-воздушные батареи были впервые предложены Абрахамом и З. Цзяном в 1996 году. Уравнение реакции разряда показано на рис. 1. Реакция зарядки противоположна.В электролите в основном используется органический электролит или твердый электролит, а продуктом разряда в основном является Li2O2, продукт нерастворим в электролите и легко накапливается на воздушном положительном электроде, влияя на разрядную емкость литий-воздушной батареи.
Литий-воздушные аккумуляторы обладают преимуществами сверхвысокой плотности энергии, экологичности и низкой цены, но их исследования все еще находятся в зачаточном состоянии, и предстоит решить еще много проблем, таких как катализ реакции восстановления кислорода, кислородопроницаемость и гидрофобность воздушных электродов, дезактивация воздушных электродов и т. д.
② Литий-серный аккумулятор
Литий-серные батареи в основном используют элементарную серу или соединения на основе серы в качестве материала положительного электрода батареи, а металлический литий в основном используется для отрицательного электрода.В процессе разряда металлический литий, расположенный на отрицательном электроде, окисляется с потерей электрона и образованием ионов лития;затем электроны переносятся на положительный электрод через внешнюю цепь, а образовавшиеся ионы лития также передаются на положительный электрод через электролит для реакции с серой с образованием полисульфида.лития (LiPS), а затем вступают в дальнейшую реакцию с образованием сульфида лития для завершения процесса разряда.Во время процесса зарядки ионы лития в LiPS возвращаются к отрицательному электроду через электролит, в то время как электроны возвращаются к отрицательному электроду через внешнюю цепь, образуя металлический литий с ионами лития, а LiPS восстанавливаются до серы на положительном электроде для завершения процесса заряда. процесс зарядки.
Процесс разрядки литий-серных аккумуляторов представляет собой в основном многоступенчатую, многоэлектронную, многофазную сложную электрохимическую реакцию на серном катоде, и LiPS с разной длиной цепи трансформируются друг в друга в процессе заряда-разряда.В процессе разряда реакция, которая может происходить на положительном электроде, показана на рисунке 2, а реакция на отрицательном электроде показана на рисунке 3.
Преимущества литий-серных батарей очень очевидны, например, очень высокая теоретическая емкость;в материале нет кислорода, и реакция выделения кислорода не произойдет, поэтому показатели безопасности хорошие;ресурсов серы много, а элементарная сера дешева;он экологически чистый и имеет низкую токсичность.Однако литий-серные батареи также имеют некоторые сложные проблемы, такие как эффект челнока полисульфида лития;изоляция элементарной серы и продуктов ее выделения;проблема больших объемов изменений;нестабильный SEI и проблемы с безопасностью, вызванные литиевыми анодами;явление саморазряда и др.
Литий-воздушные и литий-серные аккумуляторы нового поколения имеют очень высокие теоретические значения удельной емкости и привлекают большое внимание исследователей и рынка вторичных аккумуляторов.В настоящее время эти две батареи все еще сталкиваются со многими научными и техническими проблемами.Они находятся на ранней стадии разработки аккумуляторов.В дополнение к необходимости дальнейшего улучшения удельной емкости и стабильности материала катода батареи, необходимо срочно решить такие ключевые вопросы, как безопасность батареи.В дальнейшем эти два новых типа аккумуляторов еще нуждаются в постоянном техническом совершенствовании для устранения их дефектов, чтобы открыть более широкие перспективы применения.
Время публикации: 07 апреля 2023 г.