01 Какво представляват литиево-въздушните батерии и литиево-серните батерии?
① Li-air батерия
Литиево-въздушната батерия използва кислород като положителен електрод и метален литий като отрицателен електрод.Той има висока теоретична енергийна плътност (3500wh/kg), а действителната му енергийна плътност може да достигне 500-1000wh/kg, което е много по-високо от конвенционалната литиево-йонна батерийна система.Литиево-въздушните батерии се състоят от положителни електроди, електролити и отрицателни електроди.В неводните акумулаторни системи понастоящем като реакционен газ се използва чист кислород, така че литиево-въздушните батерии могат също да се наричат литиево-кислородни батерии.
През 1996 г. Abraham et al.успешно сглоби първата неводна литиево-въздушна батерия в лабораторията.Тогава изследователите започнаха да обръщат внимание на вътрешната електрохимична реакция и механизма на неводните литиево-въздушни батерии;през 2002 г. Read et al.установи, че електрохимичните характеристики на литиево-въздушните батерии зависят от електролитния разтворител и материалите на въздушния катод;през 2006 г., Ogasawara и др.Използван масспектрометър, за първи път беше доказано, че Li2O2 се окислява и се отделя кислород по време на зареждането, което потвърждава електрохимичната обратимост на Li2O2.Ето защо литиево-въздушните батерии получиха много внимание и бързо развитие.
② Литиево-сярна батерия
Литиево-сярната батерия е вторична акумулаторна система, базирана на обратима реакция на сяра с висок специфичен капацитет (1675 mAh/g) и метален литий (3860 mAh/g), със средно напрежение на разреждане от около 2,15 V.Неговата теоретична енергийна плътност може да достигне 2600wh/kg.Неговите суровини имат предимствата на ниска цена и екологичност, така че има голям потенциал за развитие.Изобретяването на литиево-серни батерии може да се проследи до 60-те години на миналия век, когато Хърбърт и Улам кандидатстват за патент за батерия.Прототипът на тази литиево-сярна батерия използва литий или литиева сплав като материал за отрицателен електрод, сяра като материал за положителен електрод и се състои от алифатни наситени амини.на електролит.Няколко години по-късно литиево-серните батерии бяха подобрени чрез въвеждане на органични разтворители като PC, DMSO и DMF и бяха получени 2.35-2.5V батерии.До края на 80-те години е доказано, че етерите са полезни в литиево-серни батерии.В последващи проучвания откриването на електролити на основата на етер, използването на LiNO3 като електролитна добавка и предложението за композитни положителни електроди от въглерод/сяра отвори бума на изследванията на литиево-серни батерии.
02 Принцип на работа на литиево-въздушна батерия и литиево-серна батерия
① Li-air батерия
Според различните състояния на използвания електролит литиево-въздушните батерии могат да бъдат разделени на водни системи, органични системи, водно-органични хибридни системи и изцяло твърдотелни литиево-въздушни батерии.Сред тях, поради ниския специфичен капацитет на литиево-въздушните батерии, използващи електролити на водна основа, трудностите при защитата на металния литий и лошата обратимост на системата, неводни органични литиево-въздушни батерии и изцяло твърдотелни литиево-въздушни батерии батериите са по-широко използвани в момента.Проучване.Неводните литиево-въздушни батерии бяха предложени за първи път от Abraham и Z.Jiang през 1996 г. Уравнението на реакцията на разреждане е показано на фигура 1. Реакцията на зареждане е обратната.Електролитът използва главно органичен електролит или твърд електролит, а продуктът за разреждане е главно Li2O2, продуктът е неразтворим в електролита и лесно се натрупва върху въздушния положителен електрод, което влияе върху капацитета на разреждане на литиево-въздушната батерия.
Литиево-въздушните батерии имат предимствата на свръхвисока енергийна плътност, екологичност и ниска цена, но тяхното изследване е все още в начален стадий и все още има много проблеми за решаване, като катализата на реакцията на редукция на кислорода, кислородна пропускливост и хидрофобност на въздушните електроди и дезактивирането на въздушните електроди и др.
② Литиево-сярна батерия
Литиево-серните батерии използват основно елементарна сяра или съединения на основата на сяра като положителен електроден материал на батерията, а металният литий се използва главно за отрицателния електрод.По време на процеса на разреждане металният литий, разположен на отрицателния електрод, се окислява, за да загуби електрон и да генерира литиеви йони;след това електроните се прехвърлят към положителния електрод през външната верига, а генерираните литиеви йони също се прехвърлят към положителния електрод през електролита, за да реагират със сярата, за да образуват полисулфид.Литий (LiPSs) и след това допълнително реагира, за да генерира литиев сулфид, за да завърши процеса на разреждане.По време на процеса на зареждане литиевите йони в LiPS се връщат към отрицателния електрод през електролита, докато електроните се връщат към отрицателния електрод през външна верига, за да образуват литиев метал с литиеви йони, а LiPS се редуцират до сяра на положителния електрод, за да завършат процес на зареждане.
Процесът на разреждане на литиево-серни батерии е главно многоетапна, многоелектронна, многофазова сложна електрохимична реакция на серния катод и LiPS с различна дължина на веригата се трансформират един в друг по време на процеса на зареждане-разреждане.По време на процеса на разреждане реакцията, която може да възникне при положителния електрод, е показана на фигура 2, а реакцията при отрицателния електрод е показана на фигура 3.
Предимствата на литиево-серните батерии са много очевидни, като много висок теоретичен капацитет;в материала няма кислород и няма да настъпи реакция на отделяне на кислород, така че показателите за безопасност са добри;ресурсите на сяра са изобилни, а елементарната сяра е евтина;той е екологичен и има ниска токсичност.Въпреки това, литиево-серните батерии също имат някои предизвикателни проблеми, като например литиевия полисулфиден совалков ефект;изолацията на елементарна сяра и продукти от нейното отделяне;проблемът с големи промени в обема;нестабилната SEI и проблемите с безопасността, причинени от литиевите аноди;феномен на саморазреждане и др.
Като ново поколение система от вторични батерии, литиево-въздушните батерии и литиево-серните батерии имат много високи теоретични специфични стойности на капацитет и са привлекли голямо внимание от изследователите и пазара на вторични батерии.В момента тези две батерии все още са изправени пред много научни и технически проблеми.Те са в ранен изследователски етап на разработване на батерии.В допълнение към специфичния капацитет и стабилността на катодния материал на батерията, които трябва да бъдат допълнително подобрени, ключови проблеми като безопасността на батерията също трябва да бъдат решени спешно.В бъдеще тези два нови вида батерии все още се нуждаят от непрекъснато техническо подобрение, за да се отстранят дефектите им, за да се открият по-широки перспективи за приложение.
Време на публикуване: 7 април 2023 г