En artikel för att förstå de grundläggande principerna för litium-luftbatterier och litium-svavelbatterier

01 Vad är litium-luftbatterier och litium-svavelbatterier?

① Li-air batteri

Litium-luftbatteriet använder syre som den positiva elektrodreaktanten och metalllitium som den negativa elektroden.Den har en hög teoretisk energitäthet (3500wh/kg), och dess faktiska energitäthet kan nå 500-1000wh/kg, vilket är mycket högre än det konventionella litiumjonbatterisystemet.Litium-luftbatterier består av positiva elektroder, elektrolyter och negativa elektroder.I icke-vattenhaltiga batterisystem används för närvarande rent syre som reaktionsgas, så litium-luftbatterier kan också kallas litium-syrebatterier.

År 1996, Abraham et al.framgångsrikt monterat det första icke-vattenhaltiga litium-luftbatteriet i laboratoriet.Sedan började forskare uppmärksamma den interna elektrokemiska reaktionen och mekanismen hos icke-vattenhaltiga litium-luftbatterier;2002, Read et al.fann att den elektrokemiska prestandan hos litium-luftbatterier berodde på elektrolytlösningsmedlet och luftkatodmaterialen;2006, Ogasawara et al.använde en masspektrometer, bevisades det för första gången att Li2O2 oxiderades och syre frigjordes under laddningen, vilket bekräftade den elektrokemiska reversibiliteten för Li2O2.Därför har litium-luftbatterier fått mycket uppmärksamhet och snabb utveckling.

② Litium-svavelbatteri

 Litium-svavelbatteri är ett sekundärt batterisystem baserat på den reversibla reaktionen av svavel med hög specifik kapacitet (1675mAh/g) och litiummetall (3860mAh/g), med en genomsnittlig urladdningsspänning på cirka 2,15V.Dess teoretiska energitäthet kan nå 2600wh/kg.Dess råvaror har fördelarna med låg kostnad och miljövänlighet, så det har stor utvecklingspotential.Uppfinningen av litium-svavelbatterier kan spåras tillbaka till 1960-talet, då Herbert och Ulam ansökte om ett batteripatent.Prototypen av detta litium-svavelbatteri använde litium eller litiumlegering som negativt elektrodmaterial, svavel som positivt elektrodmaterial och sammansatt av alifatiska mättade aminer.av elektrolyt.Några år senare förbättrades litium-svavelbatterier genom att införa organiska lösningsmedel som PC, DMSO och DMF, och 2,35-2,5V batterier erhölls.I slutet av 1980-talet visade sig etrar vara användbara i litium-svavelbatterier.I efterföljande studier har upptäckten av eterbaserade elektrolyter, användningen av LiNO3 som en elektrolytadditiv och förslaget om kol/svavelkompositpositiva elektroder öppnat upp forskningsboomen för litium-svavelbatterier.

02 Arbetsprincip för litium-luftbatteri och litium-svavelbatteri

① Li-air batteri

Beroende på de olika tillstånden hos den använda elektrolyten kan litium-luftbatterier delas in i vattensystem, organiska system, vattenorganiska hybridsystem och helfasta litium-luftbatterier.Bland dem, på grund av den låga specifika kapaciteten hos litium-luftbatterier som använder vattenbaserade elektrolyter, svårigheter med att skydda litiummetall och dålig reversibilitet av systemet, icke-vattenhaltiga organiska litium-luftbatterier och hel-solid-state litium-luft batterier är mer utbredda för närvarande.Forskning.Icke-vattenhaltiga litium-luftbatterier föreslogs först av Abraham och Z.Jiang 1996. Reaktionsekvationen för urladdning visas i figur 1. Laddningsreaktionen är den motsatta.Elektrolyten använder huvudsakligen organisk elektrolyt eller fast elektrolyt, och urladdningsprodukten är huvudsakligen Li2O2, produkten är olöslig i elektrolyten och är lätt att ackumulera på den positiva luftelektroden, vilket påverkar urladdningskapaciteten hos litium-luftbatteriet.

图1

Litium-luftbatterier har fördelarna med ultrahög energitäthet, miljövänlighet och lågt pris, men deras forskning är fortfarande i sin linda och det finns fortfarande många problem att lösa, såsom katalys av syrereduktionsreaktion, syrepermeabilitet och hydrofobicitet hos luftelektroder, och deaktivering av luftelektroder etc.

② Litium-svavelbatteri

Litium-svavelbatterier använder huvudsakligen elementärt svavel eller svavelbaserade föreningar som batteriets positiva elektrodmaterial, och metalliskt litium används huvudsakligen för den negativa elektroden.Under urladdningsprocessen oxideras metalllitiumet vid den negativa elektroden för att förlora en elektron och generera litiumjoner;sedan överförs elektronerna till den positiva elektroden genom den externa kretsen, och de genererade litiumjonerna överförs också till den positiva elektroden genom elektrolyten för att reagera med svavel för att bilda polysulfid.Litium (LiPSs), och reagerar sedan ytterligare för att generera litiumsulfid för att slutföra urladdningsprocessen.Under laddningsprocessen återgår litiumjoner i LiPS till den negativa elektroden genom elektrolyten, medan elektroner återgår till den negativa elektroden genom en extern krets för att bilda litiummetall med litiumjoner, och LiPS reduceras till svavel vid den positiva elektroden för att fullborda laddningsprocessen.

Urladdningsprocessen för litium-svavelbatterier är huvudsakligen en flerstegs, multi-elektron, flerfas komplex elektrokemisk reaktion på svavelkatoden, och LiPS med olika kedjelängder omvandlas till varandra under laddnings-urladdningsprocessen.Under urladdningsprocessen visas reaktionen som kan inträffa vid den positiva elektroden i figur 2, och reaktionen vid den negativa elektroden visas i figur 3.

图2&图3

Fördelarna med litium-svavelbatterier är mycket uppenbara, såsom mycket hög teoretisk kapacitet;det finns inget syre i materialet och syreutvecklingsreaktionen kommer inte att inträffa, så säkerhetsprestandan är bra;svavelresurser är rikliga och elementärt svavel är billigt;det är miljövänligt och har låg toxicitet.Men litium-svavelbatterier har också några utmanande problem, såsom litiumpolysulfid-skytteleffekten;isolering av elementärt svavel och dess utsläppsprodukter;problemet med stora volymförändringar;de instabila SEI och säkerhetsproblem som orsakas av litiumanoder;självurladdningsfenomen etc.

Som en ny generation av sekundära batterisystem har litium-luftbatterier och litium-svavelbatterier mycket höga teoretiska specifika kapacitetsvärden och har väckt stor uppmärksamhet från forskare och den sekundära batterimarknaden.För närvarande står dessa två batterier fortfarande inför många vetenskapliga och tekniska problem.De är i det tidiga forskningsstadiet av batteriutveckling.Förutom att batterikatodmaterialets specifika kapacitet och stabilitet behöver förbättras ytterligare, måste nyckelfrågor som batterisäkerhet också lösas omgående.I framtiden behöver dessa två nya typer av batterier fortfarande kontinuerliga tekniska förbättringar för att eliminera sina defekter för att öppna upp bredare tillämpningsmöjligheter.


Posttid: 2023-07-07