01 Šta su litijum-vazdušne baterije i litijum-sumporne baterije?
① Li-air baterija
Litijum-vazdušna baterija koristi kiseonik kao reaktant pozitivne elektrode i metalni litijum kao negativnu elektrodu.Ima visoku teoretsku gustinu energije (3500wh/kg), a stvarna gustina energije može dostići 500-1000wh/kg, što je mnogo više od konvencionalnog sistema litijum-jonskih baterija.Litijum-vazdušne baterije se sastoje od pozitivnih elektroda, elektrolita i negativnih elektroda.U nevodenim baterijskim sistemima, čisti kiseonik se trenutno koristi kao reakcijski gas, tako da se litijum-vazdušne baterije mogu nazvati i litijum-kiseoničkim baterijama.
Godine 1996. Abraham et al.uspješno sastavio prvu nevodenu litijum-vazdušnu bateriju u laboratoriji.Tada su istraživači počeli da obraćaju pažnju na unutrašnju elektrohemijsku reakciju i mehanizam nevodenih litijum-vazdušnih baterija;2002. Read et al.otkrili da elektrohemijske performanse litijum-vazdušnih baterija zavise od otapala elektrolita i materijala vazdušne katode;2006. Ogasawara et al.korišćenim masenim spektrometrom, po prvi put je dokazano da je Li2O2 oksidiran i da se oslobađa kiseonik tokom punjenja, što je potvrdilo elektrohemijsku reverzibilnost Li2O2.Stoga su litijum-vazdušne baterije dobile veliku pažnju i brz razvoj.
② Litijum-sumporna baterija
Litijum-sumporna baterija je sekundarni sistem baterija zasnovan na reverzibilnoj reakciji sumpora visokog specifičnog kapaciteta (1675mAh/g) i metalnog litijuma (3860mAh/g), sa prosečnim naponom pražnjenja od oko 2,15V.Njegova teoretska gustina energije može doseći 2600wh/kg.Njegove sirovine imaju prednosti niske cijene i ekološke prihvatljivosti, tako da ima veliki razvojni potencijal.Izum litijum-sumpornih baterija može se pratiti do 1960-ih, kada su Herbert i Ulam prijavili patent za baterije.Prototip ove litijum-sumporne baterije koristio je litijum ili leguru litijuma kao materijal negativne elektrode, sumpor kao materijal pozitivne elektrode i sastavljen od alifatskih zasićenih amina.elektrolita.Nekoliko godina kasnije, litijum-sumporne baterije su poboljšane uvođenjem organskih rastvarača kao što su PC, DMSO i DMF, i dobijene su baterije od 2,35-2,5V.Do kasnih 1980-ih, dokazano je da su eteri korisni u litijum-sumpornim baterijama.U kasnijim studijama, otkriće elektrolita na bazi etera, upotreba LiNO3 kao aditiva za elektrolite, i prijedlog pozitivnih elektroda od kompozita ugljik/sumpor otvorili su istraživački bum litijum-sumpornih baterija.
02 Princip rada litijum-vazdušne baterije i litijum-sumporne baterije
① Li-air baterija
Prema različitim stanjima korišćenog elektrolita, litijum-vazdušne baterije se mogu podeliti na vodene sisteme, organske sisteme, vodeno-organske hibridne sisteme i potpuno čvrste litijum-vazdušne baterije.Među njima, zbog niskog specifičnog kapaciteta litijum-vazdušnih baterija koje koriste elektrolite na bazi vode, poteškoća u zaštiti metalnog litijuma i loše reverzibilnosti sistema, nevodene organske litijum-vazdušne baterije i potpuno čvrste litijum-vazdušne baterije Baterije se danas sve više koriste.Istraživanja.Nevodene litijum-vazdušne baterije prvi su predložili Abraham i Z.Jiang 1996. Jednačina reakcije pražnjenja prikazana je na slici 1. Reakcija punjenja je suprotna.Elektrolit uglavnom koristi organski elektrolit ili čvrsti elektrolit, a proizvod pražnjenja je uglavnom Li2O2, proizvod je netopiv u elektrolitu i lako se akumulira na zračnoj pozitivnoj elektrodi, što utječe na kapacitet pražnjenja litijum-vazdušne baterije.
Litijum-vazdušne baterije imaju prednosti ultra-visoke gustine energije, ekološke prihvatljivosti i niske cene, ali njihovo istraživanje je još uvek u povojima i još uvek ima mnogo problema koje treba rešiti, kao što je kataliza reakcije redukcije kiseonika, propusnost kisika i hidrofobnost zračnih elektroda, te deaktivacija zračnih elektroda itd.
② Litijum-sumporna baterija
Litijum-sumporne baterije uglavnom koriste elementarni sumpor ili spojeve na bazi sumpora kao materijal pozitivne elektrode baterije, a metalni litijum se uglavnom koristi za negativnu elektrodu.Tokom procesa pražnjenja, metalni litijum koji se nalazi na negativnoj elektrodi se oksidira kako bi izgubio elektron i stvorio litijum ione;zatim se elektroni prenose na pozitivnu elektrodu kroz vanjsko kolo, a generirani litijevi joni se također prenose na pozitivnu elektrodu kroz elektrolit kako bi reagirali sa sumporom i formirali polisulfid.Litijum (LiPSs), a zatim dalje reaguju da generišu litijum sulfid kako bi se završio proces pražnjenja.Tokom procesa punjenja, litijevi ioni u LiPS-ima se vraćaju na negativnu elektrodu kroz elektrolit, dok se elektroni vraćaju na negativnu elektrodu kroz vanjski krug kako bi formirali metalni litij s litij-ionima, a LiPS-i se reduciraju u sumpor na pozitivnoj elektrodi kako bi se završio proces punjenja. proces punjenja.
Proces pražnjenja litijum-sumpornih baterija je uglavnom višestepena, višeelektronska, višefazna kompleksna elektrohemijska reakcija na sumpornoj katodi, a LiPS sa različitim dužinama lanca se transformišu jedan u drugi tokom procesa punjenja-pražnjenja.Tokom procesa pražnjenja, reakcija koja se može dogoditi na pozitivnoj elektrodi prikazana je na slici 2, a reakcija na negativnoj elektrodi prikazana je na slici 3.
Prednosti litijum-sumpornih baterija su vrlo očigledne, kao što je veoma visok teoretski kapacitet;nema kiseonika u materijalu i neće doći do reakcije evolucije kiseonika, tako da su bezbednosne performanse dobre;resursi sumpora su u izobilju, a elementarni sumpor je jeftin;ekološki je prihvatljiv i ima nisku toksičnost.Međutim, litijum-sumporne baterije takođe imaju neke izazovne probleme, kao što je efekat litijum polisulfida šatla;izolacija elementarnog sumpora i produkata njegovog ispuštanja;problem velikih promjena volumena;nestabilni SEI i sigurnosni problemi uzrokovani litijumskim anodama;fenomen samopražnjenja itd.
Kao nova generacija sekundarnog baterijskog sistema, litijum-vazdušne baterije i litijum-sumporne baterije imaju veoma visoke teorijske vrednosti specifičnog kapaciteta i privukle su veliku pažnju istraživača i tržišta sekundarnih baterija.Trenutno se ove dvije baterije još uvijek suočavaju sa mnogim naučnim i tehničkim problemima.Oni su u ranoj fazi istraživanja razvoja baterija.Pored specifičnog kapaciteta i stabilnosti materijala katode baterije koje treba dodatno poboljšati, ključna pitanja kao što je sigurnost baterije također moraju biti hitno riješena.U budućnosti, ove dvije nove vrste baterija i dalje trebaju kontinuirano tehničko poboljšanje kako bi se eliminisali njihovi nedostaci kako bi se otvorile širi izgledi za primjenu.
Vrijeme objave: Apr-07-2023