01 Hvad er lithium-luft-batterier og lithium-svovl-batterier?
① Li-air batteri
Lithium-luftbatteriet bruger oxygen som den positive elektrodereaktant og metallithium som den negative elektrode.Den har en høj teoretisk energitæthed (3500wh/kg), og dens faktiske energitæthed kan nå 500-1000wh/kg, hvilket er meget højere end det konventionelle lithium-ion batterisystem.Lithium-luft-batterier er sammensat af positive elektroder, elektrolytter og negative elektroder.I ikke-vandige batterisystemer bruges i dag ren ilt som reaktionsgas, så lithium-luft-batterier kan også kaldes lithium-oxygen-batterier.
I 1996, Abraham et al.med succes samlet det første ikke-vandige lithium-luftbatteri i laboratoriet.Så begyndte forskere at være opmærksomme på den interne elektrokemiske reaktion og mekanisme af ikke-vandige lithium-luft-batterier;i 2002, Read et al.fandt, at den elektrokemiske ydeevne af lithium-luft-batterier afhang af elektrolytopløsningsmidlet og luftkatodematerialerne;i 2006, Ogasawara et al.brugte massespektrometer, blev det bevist for første gang, at Li2O2 var oxideret og ilt blev frigivet under opladning, hvilket bekræftede den elektrokemiske reversibilitet af Li2O2.Derfor har lithium-luft-batterier fået meget opmærksomhed og hurtig udvikling.
② Lithium-svovl batteri
Lithium-svovl-batteri er et sekundært batterisystem baseret på den reversible reaktion af svovl med høj specifik kapacitet (1675mAh/g) og lithiummetal (3860mAh/g), med en gennemsnitlig afladningsspænding på omkring 2,15V.Dens teoretiske energitæthed kan nå op på 2600wh/kg.Dets råmaterialer har fordelene ved lave omkostninger og miljøvenlighed, så det har et stort udviklingspotentiale.Opfindelsen af lithium-svovl-batterier kan spores tilbage til 1960'erne, hvor Herbert og Ulam ansøgte om et batteripatent.Prototypen af dette lithium-svovlbatteri brugte lithium eller lithiumlegering som det negative elektrodemateriale, svovl som det positive elektrodemateriale og sammensat af alifatiske mættede aminer.af elektrolyt.Et par år senere blev lithium-svovlbatterier forbedret ved at introducere organiske opløsningsmidler såsom PC, DMSO og DMF, og 2,35-2,5V batterier blev opnået.I slutningen af 1980'erne blev ethere bevist at være nyttige i lithium-svovl-batterier.I efterfølgende undersøgelser har opdagelsen af ether-baserede elektrolytter, brugen af LiNO3 som et elektrolytadditiv og forslaget om kulstof/svovl-komposit-positive elektroder åbnet op for forskningsboomet for lithium-svovl-batterier.
02 Arbejdsprincip for lithium-luftbatteri og lithium-svovlbatteri
① Li-air batteri
I henhold til de forskellige tilstande af den anvendte elektrolyt kan lithium-luft-batterier opdeles i vandige systemer, organiske systemer, vand-organiske hybridsystemer og faststof-lithium-luft-batterier.Blandt dem, på grund af den lave specifikke kapacitet af lithium-luft-batterier, der anvender vandbaserede elektrolytter, vanskeligheder med at beskytte lithiummetal og dårlig reversibilitet af systemet, ikke-vandige organiske lithium-luft-batterier og all-solid-state lithium-luft batterier er mere udbredt i øjeblikket.Forskning.Ikke-vandige lithium-luft-batterier blev først foreslået af Abraham og Z.Jiang i 1996. Afladningsreaktionsligningen er vist i figur 1. Opladningsreaktionen er den modsatte.Elektrolytten bruger hovedsageligt organisk elektrolyt eller fast elektrolyt, og udledningsproduktet er hovedsageligt Li2O2, produktet er uopløseligt i elektrolytten og er let at akkumulere på den positive luftelektrode, hvilket påvirker afladningskapaciteten af lithium-luftbatteriet.
Lithium-luft-batterier har fordelene ved ultrahøj energitæthed, miljøvenlighed og lav pris, men deres forskning er stadig i sin vorden, og der er stadig mange problemer, der skal løses, såsom katalyse af iltreduktionsreaktion, iltpermeabilitet og hydrofobicitet af luftelektroder, og deaktivering af luftelektroder mv.
② Lithium-svovl batteri
Lithium-svovl-batterier bruger hovedsageligt elementært svovl eller svovlbaserede forbindelser som batteriets positive elektrodemateriale, og metallisk lithium bruges hovedsageligt til den negative elektrode.Under afladningsprocessen oxideres metallithiumet, der er placeret ved den negative elektrode, for at miste en elektron og generere lithiumioner;derefter overføres elektronerne til den positive elektrode gennem det eksterne kredsløb, og de genererede lithiumioner overføres også til den positive elektrode gennem elektrolytten for at reagere med svovl og danne polysulfid.Lithium (LiPS'er), og derefter reagere yderligere for at generere lithiumsulfid for at fuldføre udledningsprocessen.Under opladningsprocessen vender lithiumioner i LiPS'er tilbage til den negative elektrode gennem elektrolytten, mens elektroner vender tilbage til den negative elektrode gennem et eksternt kredsløb for at danne lithiummetal med lithiumioner, og LiPS'er reduceres til svovl ved den positive elektrode for at fuldende opladningsproces.
Afladningsprocessen for lithium-svovl-batterier er hovedsageligt en multi-trin, multi-elektron, multi-fase kompleks elektrokemisk reaktion på svovlkatoden, og LiPS'er med forskellige kædelængder omdannes til hinanden under ladning-afladningsprocessen.Under afladningsprocessen er den reaktion, der kan forekomme ved den positive elektrode, vist i figur 2, og reaktionen ved den negative elektrode er vist i figur 3.
Fordelene ved lithium-svovl-batterier er meget indlysende, såsom meget høj teoretisk kapacitet;der er ingen ilt i materialet, og iltudviklingsreaktion vil ikke forekomme, så sikkerhedsydelsen er god;svovlressourcer er rigelige, og elementært svovl er billigt;det er miljøvenligt og har lav toksicitet.Lithium-svovl-batterier har dog også nogle udfordrende problemer, såsom lithium-polysulfid-shuttle-effekten;isolering af elementært svovl og dets udledningsprodukter;problemet med store volumenændringer;de ustabile SEI og sikkerhedsproblemer forårsaget af lithiumanoder;selvafladningsfænomen mv.
Som en ny generation af sekundære batterisystemer har lithium-luft-batterier og lithium-svovl-batterier meget høje teoretiske specifikke kapacitetsværdier og har tiltrukket sig stor opmærksomhed fra forskere og det sekundære batterimarked.På nuværende tidspunkt står disse to batterier stadig over for mange videnskabelige og tekniske problemer.De er i den tidlige forskningsfase af batteriudvikling.Ud over at batterikatodematerialets specifikke kapacitet og stabilitet skal forbedres yderligere, skal nøgleproblemer som batterisikkerhed også løses omgående.I fremtiden har disse to nye typer batterier stadig brug for løbende tekniske forbedringer for at eliminere deres defekter for at åbne op for bredere anvendelsesmuligheder.
Indlægstid: 07-04-2023