01 Wat zijn lithium-luchtbatterijen en lithium-zwavelbatterijen?
① Li-air-batterij
De lithium-luchtbatterij gebruikt zuurstof als positieve elektrodereactant en metaallithium als negatieve elektrode.Het heeft een hoge theoretische energiedichtheid (3500wh/kg) en de werkelijke energiedichtheid kan oplopen tot 500-1000wh/kg, wat veel hoger is dan het conventionele lithium-ion batterijsysteem.Lithium-luchtbatterijen zijn samengesteld uit positieve elektroden, elektrolyten en negatieve elektroden.In niet-waterige batterijsystemen wordt momenteel pure zuurstof gebruikt als reactiegas, dus lithium-luchtbatterijen kunnen ook lithium-zuurstofbatterijen worden genoemd.
In 1996 hebben Abraham et al.met succes de eerste niet-waterige lithium-luchtbatterij in het laboratorium geassembleerd.Toen begonnen onderzoekers aandacht te besteden aan de interne elektrochemische reactie en het mechanisme van niet-waterige lithium-luchtbatterijen;in 2002, Lezen et al.ontdekte dat de elektrochemische prestaties van lithium-luchtbatterijen afhingen van het elektrolytoplosmiddel en de materialen van de luchtkathode;in 2006, Ogasawara et al.gebruikte massaspectrometer, werd voor het eerst bewezen dat Li2O2 werd geoxideerd en zuurstof vrijkwam tijdens het opladen, wat de elektrochemische reversibiliteit van Li2O2 bevestigde.Daarom hebben lithium-luchtbatterijen veel aandacht en snelle ontwikkeling gekregen.
② Lithium-zwavelbatterij
Lithium-zwavelbatterij is een secundair batterijsysteem gebaseerd op de omkeerbare reactie van zwavel met een hoge specifieke capaciteit (1675mAh/g) en lithiummetaal (3860mAh/g), met een gemiddelde ontladingsspanning van ongeveer 2,15V.Zijn theoretische energiedichtheid kan 2600wh/kg bereiken.De grondstoffen hebben de voordelen van lage kosten en milieuvriendelijkheid, dus het heeft een groot ontwikkelingspotentieel.De uitvinding van lithium-zwavelbatterijen gaat terug tot de jaren zestig, toen Herbert en Ulam een batterijoctrooi aanvraagden.Het prototype van deze lithium-zwavelbatterij gebruikte lithium of lithiumlegering als het negatieve elektrodemateriaal, zwavel als het positieve elektrodemateriaal en was samengesteld uit alifatische verzadigde aminen.van elektrolyt.Een paar jaar later werden lithium-zwavelbatterijen verbeterd door de introductie van organische oplosmiddelen zoals PC, DMSO en DMF, en werden 2,35-2,5V-batterijen verkregen.Tegen het einde van de jaren tachtig werd bewezen dat ethers bruikbaar zijn in lithium-zwavelbatterijen.In daaropvolgende studies hebben de ontdekking van op ether gebaseerde elektrolyten, het gebruik van LiNO3 als elektrolytadditief en het voorstel van koolstof / zwavelcomposiet positieve elektroden de onderzoeksboom van lithium-zwavelbatterijen geopend.
02 Werkingsprincipe van lithium-luchtbatterij en lithium-zwavelbatterij
① Li-air-batterij
Afhankelijk van de verschillende toestanden van de gebruikte elektrolyt, kunnen lithium-luchtbatterijen worden onderverdeeld in waterige systemen, organische systemen, water-organische hybride systemen en volledig vaste lithium-luchtbatterijen.Onder hen, vanwege de lage specifieke capaciteit van lithium-luchtbatterijen die elektrolyten op waterbasis gebruiken, moeilijkheden bij het beschermen van lithiummetaal en slechte omkeerbaarheid van het systeem, niet-waterige organische lithium-luchtbatterijen en volledig vaste stof lithium-luchtbatterijen Batterijen worden tegenwoordig op grotere schaal gebruikt.Onderzoek.Niet-waterige lithium-luchtbatterijen werden voor het eerst voorgesteld door Abraham en Z.Jiang in 1996. De ontladingsreactievergelijking wordt weergegeven in figuur 1. De oplaadreactie is het tegenovergestelde.De elektrolyt gebruikt voornamelijk organische elektrolyt of vaste elektrolyt, en het ontladingsproduct is voornamelijk Li2O2, het product is onoplosbaar in de elektrolyt en kan zich gemakkelijk ophopen op de positieve luchtelektrode, wat de ontladingscapaciteit van de lithium-luchtbatterij beïnvloedt.
Lithium-luchtbatterijen hebben de voordelen van ultrahoge energiedichtheid, milieuvriendelijkheid en lage prijs, maar hun onderzoek staat nog in de kinderschoenen en er zijn nog veel problemen op te lossen, zoals de katalyse van zuurstofreductiereactie, de zuurstofdoorlaatbaarheid en hydrofobiciteit van luchtelektroden en de deactivering van luchtelektroden enz.
② Lithium-zwavelbatterij
Lithium-zwavelbatterijen gebruiken voornamelijk elementaire zwavel of op zwavel gebaseerde verbindingen als het positieve elektrodemateriaal van de batterij, en metallisch lithium wordt voornamelijk gebruikt voor de negatieve elektrode.Tijdens het ontladingsproces wordt het metaallithium aan de negatieve elektrode geoxideerd om een elektron te verliezen en lithiumionen te genereren;vervolgens worden de elektronen via het externe circuit naar de positieve elektrode overgebracht en worden de gegenereerde lithiumionen ook via de elektrolyt naar de positieve elektrode overgebracht om met zwavel te reageren om polysulfide te vormen.Lithium (LiPSs), en vervolgens verder reageren om lithiumsulfide te genereren om het ontladingsproces te voltooien.Tijdens het laadproces keren lithiumionen in LiPS's terug naar de negatieve elektrode via de elektrolyt, terwijl elektronen terugkeren naar de negatieve elektrode via een extern circuit om lithiummetaal te vormen met lithiumionen, en LiPS's worden gereduceerd tot zwavel bij de positieve elektrode om de lading te voltooien. laadproces.
Het ontlaadproces van lithium-zwavelbatterijen is voornamelijk een meerstaps, multi-elektronen, meerfasige complexe elektrochemische reactie op de zwavelkathode, en LiPS's met verschillende ketenlengtes worden tijdens het laad-ontlaadproces in elkaar omgezet.Tijdens het ontladingsproces wordt de reactie die kan optreden bij de positieve elektrode getoond in figuur 2, en de reactie bij de negatieve elektrode wordt getoond in figuur 3.
De voordelen van lithium-zwavelbatterijen liggen voor de hand, zoals een zeer hoge theoretische capaciteit;er is geen zuurstof in het materiaal en er zal geen zuurstofontwikkelingsreactie optreden, dus de veiligheidsprestaties zijn goed;zwavelbronnen zijn er in overvloed en elementaire zwavel is goedkoop;het is milieuvriendelijk en heeft een lage toxiciteit.Lithium-zwavelbatterijen hebben echter ook enkele uitdagende problemen, zoals het lithium-polysulfide-shuttle-effect;de isolatie van elementaire zwavel en zijn ontladingsproducten;het probleem van grote volumeveranderingen;de onstabiele SEI en veiligheidsproblemen veroorzaakt door lithiumanodes;zelfontlading fenomeen, etc.
Als een nieuwe generatie secundaire batterijsystemen hebben lithium-luchtbatterijen en lithium-zwavelbatterijen zeer hoge theoretische specifieke capaciteitswaarden en hebben ze uitgebreide aandacht getrokken van onderzoekers en de markt voor secundaire batterijen.Op dit moment kampen deze twee batterijen nog met veel wetenschappelijke en technische problemen.Ze bevinden zich in de vroege onderzoeksfase van de batterijontwikkeling.Naast de specifieke capaciteit en stabiliteit van het batterijkathodemateriaal die verder moeten worden verbeterd, moeten ook belangrijke kwesties zoals batterijveiligheid dringend worden opgelost.In de toekomst moeten deze twee nieuwe typen batterijen nog steeds voortdurend technisch worden verbeterd om hun defecten te elimineren en zo bredere toepassingsmogelijkheden te bieden.
Posttijd: 07-04-2023