01 Ano ang mga baterya ng lithium-air at mga baterya ng lithium-sulfur?
① Li-air na baterya
Ang baterya ng lithium-air ay gumagamit ng oxygen bilang positibong electrode reactant at metal lithium bilang negatibong electrode.Mayroon itong mataas na teoretikal na density ng enerhiya (3500wh/kg), at ang aktwal na density ng enerhiya nito ay maaaring umabot sa 500-1000wh/kg, na mas mataas kaysa sa kumbensyonal na sistema ng baterya ng lithium-ion.Ang mga bateryang Lithium-air ay binubuo ng mga positibong electrodes, electrolytes at negatibong electrodes.Sa mga non-aqueous na sistema ng baterya, ang purong oxygen ay kasalukuyang ginagamit bilang reaction gas, kaya ang mga lithium-air na baterya ay maaari ding tawaging lithium-oxygen na mga baterya.
Noong 1996, si Abraham et al.matagumpay na na-assemble ang unang non-aqueous lithium-air na baterya sa laboratoryo.Pagkatapos ay nagsimulang bigyang-pansin ng mga mananaliksik ang panloob na electrochemical reaction at mekanismo ng mga non-aqueous lithium-air na baterya;noong 2002, Read et al.natagpuan na ang electrochemical performance ng mga lithium-air na baterya ay nakadepende sa electrolyte solvent at air cathode materials;noong 2006, Ogasawara et al.ginamit ang Mass spectrometer, napatunayan sa unang pagkakataon na ang Li2O2 ay na-oxidized at ang oxygen ay inilabas habang nagcha-charge, na nakumpirma ang electrochemical reversibility ng Li2O2.Samakatuwid, ang mga baterya ng lithium-air ay nakatanggap ng maraming pansin at mabilis na pag-unlad.
② Lithium-sulfur na baterya
Ang Lithium-sulfur na baterya ay isang pangalawang sistema ng baterya batay sa reversible reaction ng high specific capacity na sulfur (1675mAh/g) at lithium metal (3860mAh/g), na may average na discharge voltage na humigit-kumulang 2.15V.Ang teoretikal na density ng enerhiya nito ay maaaring umabot sa 2600wh/kg.Ang mga hilaw na materyales nito ay may mga pakinabang ng mababang gastos at pagiging kabaitan sa kapaligiran, kaya ito ay may malaking potensyal na pag-unlad.Ang pag-imbento ng mga baterya ng lithium-sulfur ay maaaring masubaybayan noong 1960s, nang mag-apply sina Herbert at Ulam para sa isang patent ng baterya.Ang prototype ng lithium-sulfur na baterya na ito ay gumamit ng lithium o lithium alloy bilang negatibong electrode material, sulfur bilang positive electrode material at binubuo ng aliphatic saturated amines.ng electrolyte.Pagkalipas ng ilang taon, ang mga baterya ng lithium-sulfur ay napabuti sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga organikong solvent tulad ng PC, DMSO, at DMF, at nakuha ang mga 2.35-2.5V na baterya.Sa huling bahagi ng 1980s, napatunayang kapaki-pakinabang ang mga eter sa mga bateryang lithium-sulfur.Sa mga kasunod na pag-aaral, ang pagtuklas ng mga electrolyte na nakabatay sa eter, ang paggamit ng LiNO3 bilang isang electrolyte additive, at ang panukala ng carbon/sulfur composite positive electrodes ay nagbukas ng boom ng pananaliksik ng mga lithium-sulfur na baterya.
02 Prinsipyo ng pagtatrabaho ng baterya ng lithium-air at baterya ng lithium-sulfur
① Li-air na baterya
Ayon sa iba't ibang estado ng electrolyte na ginamit, ang mga lithium-air na baterya ay maaaring nahahati sa mga aqueous system, mga organikong sistema, mga water-organic na hybrid system, at mga all-solid-state na lithium-air na baterya.Kabilang sa mga ito, dahil sa mababang tiyak na kapasidad ng mga baterya ng lithium-air na gumagamit ng mga electrolyte na nakabatay sa tubig, mga kahirapan sa pagprotekta sa lithium metal, at mahinang reversibility ng system, mga non-aqueous na organic na lithium-air na baterya at all-solid-state lithium-air. ang mga baterya ay mas malawak na ginagamit sa kasalukuyan.Pananaliksik.Ang mga non-aqueous lithium-air na baterya ay unang iminungkahi nina Abraham at Z.Jiang noong 1996. Ang discharge reaction equation ay ipinapakita sa Figure 1. Ang charging reaction ay ang kabaligtaran.Ang electrolyte ay pangunahing gumagamit ng organic electrolyte o solid electrolyte, at ang discharge na produkto ay higit sa lahat Li2O2, ang produkto ay hindi matutunaw sa electrolyte, at madaling maipon sa air positive electrode, na nakakaapekto sa discharge capacity ng lithium-air na baterya.
Ang mga baterya ng Lithium-air ay may mga pakinabang ng napakataas na density ng enerhiya, pagiging magiliw sa kapaligiran, at mababang presyo, ngunit ang kanilang pananaliksik ay nasa simula pa lamang, at marami pa ring mga problema na dapat lutasin, tulad ng catalysis ng oxygen reduction reaction, ang oxygen permeability at hydrophobicity ng air electrodes, at ang deactivation ng air electrodes atbp.
② Lithium-sulfur na baterya
Ang mga bateryang Lithium-sulfur ay pangunahing gumagamit ng elemental na sulfur o mga compound na nakabatay sa sulfur bilang positibong materyal ng elektrod ng baterya, at ang metal na lithium ay pangunahing ginagamit para sa negatibong elektrod.Sa panahon ng proseso ng paglabas, ang metal lithium na matatagpuan sa negatibong elektrod ay na-oxidized upang mawalan ng isang electron at makabuo ng mga lithium ions;pagkatapos ang mga electron ay inililipat sa positibong elektrod sa pamamagitan ng panlabas na circuit, at ang nabuong mga lithium ions ay inililipat din sa positibong elektrod sa pamamagitan ng electrolyte upang tumugon sa asupre upang bumuo ng polysulfide.Lithium (LiPSs), at pagkatapos ay tumugon pa upang makabuo ng lithium sulfide upang makumpleto ang proseso ng paglabas.Sa panahon ng proseso ng pag-charge, ang mga lithium ions sa LiPS ay bumabalik sa negatibong elektrod sa pamamagitan ng electrolyte, habang ang mga electron ay bumabalik sa negatibong elektrod sa pamamagitan ng isang panlabas na circuit upang bumuo ng lithium metal na may mga lithium ions, at ang mga LiPS ay nabawasan sa sulfur sa positibong elektrod upang makumpleto ang proseso ng pagsingil.
Ang proseso ng paglabas ng mga baterya ng lithium-sulfur ay higit sa lahat ay isang multi-step, multi-electron, multi-phase complex electrochemical reaction sa sulfur cathode, at ang mga LiPS na may iba't ibang haba ng chain ay binago sa isa't isa sa panahon ng proseso ng pag-charge-discharge.Sa panahon ng proseso ng paglabas, ang reaksyon na maaaring mangyari sa positibong elektrod ay ipinapakita sa Figure 2, at ang reaksyon sa negatibong elektrod ay ipinapakita sa Figure 3.
Ang mga pakinabang ng mga baterya ng lithium-sulfur ay napakalinaw, tulad ng napakataas na kapasidad ng teoretikal;walang oxygen sa materyal, at hindi magaganap ang reaksyon ng ebolusyon ng oxygen, kaya ang pagganap ng kaligtasan ay mabuti;Ang mga mapagkukunan ng asupre ay sagana at ang elemental na asupre ay mura;ito ay environment friendly at may mababang toxicity.Gayunpaman, ang mga baterya ng lithium-sulfur ay mayroon ding ilang mapanghamong problema, tulad ng lithium polysulfide shuttle effect;ang pagkakabukod ng elemental na asupre at mga produkto ng discharge nito;ang problema ng malaking pagbabago sa dami;ang hindi matatag na SEI at mga problema sa kaligtasan na dulot ng lithium anodes;hindi pangkaraniwang bagay na nagpapalabas sa sarili, atbp.
Bilang isang bagong henerasyon ng pangalawang sistema ng baterya, ang mga baterya ng lithium-air at mga baterya ng lithium-sulfur ay may napakataas na halaga ng teoretikal na partikular na kapasidad, at nakakaakit ng malawak na atensyon mula sa mga mananaliksik at ang pangalawang merkado ng baterya.Sa kasalukuyan, ang dalawang bateryang ito ay nahaharap pa rin sa maraming problemang pang-agham at teknikal.Nasa maagang yugto ng pananaliksik ang mga ito sa pagbuo ng baterya.Bilang karagdagan sa partikular na kapasidad at katatagan ng materyal na cathode ng baterya na kailangang pagbutihin pa, ang mga pangunahing isyu tulad ng kaligtasan ng baterya ay kailangan ding malutas nang madalian.Sa hinaharap, ang dalawang bagong uri ng baterya na ito ay nangangailangan pa rin ng patuloy na teknikal na pagpapabuti upang maalis ang kanilang mga depekto upang magbukas ng mas malawak na mga prospect ng aplikasyon.
Oras ng post: Abr-07-2023