01 Què són les bateries de liti-aire i les bateries de liti-sofre?
① Bateria Li-aire
La bateria de liti-aire utilitza oxigen com a reactiu de l'elèctrode positiu i liti metàl·lic com a elèctrode negatiu.Té una alta densitat d'energia teòrica (3500 wh/kg) i la seva densitat energètica real pot arribar als 500-1000 wh/kg, que és molt superior al sistema de bateries d'ió de liti convencional.Les bateries de liti-aire estan formades per elèctrodes positius, electròlits i elèctrodes negatius.En els sistemes de bateries no aquoses, actualment s'utilitza oxigen pur com a gas de reacció, de manera que les bateries de liti-aire també es poden anomenar bateries de liti-oxigen.
El 1996, Abraham et al.va muntar amb èxit la primera bateria de liti-aire no aquosa al laboratori.Aleshores, els investigadors van començar a prestar atenció a la reacció electroquímica interna i al mecanisme de les bateries de liti-aire no aquoses;el 2002, Read et al.va trobar que el rendiment electroquímic de les bateries de liti-aire depenia del dissolvent electròlit i dels materials del càtode d'aire;el 2006, Ogasawara et al.Amb l'espectròmetre de masses utilitzat, es va demostrar per primera vegada que el Li2O2 s'oxidava i s'alliberava oxigen durant la càrrega, la qual cosa va confirmar la reversibilitat electroquímica del Li2O2.Per tant, les bateries de liti-aire han rebut molta atenció i un ràpid desenvolupament.
② Bateria de sofre de liti
La bateria de sofre de liti és un sistema de bateria secundària basat en la reacció reversible de sofre d'alta capacitat específica (1675 mAh/g) i metall de liti (3860 mAh/g), amb una tensió de descàrrega mitjana d'uns 2,15 V.La seva densitat d'energia teòrica pot arribar als 2600 wh/kg.Les seves matèries primeres tenen els avantatges del baix cost i el respecte al medi ambient, per la qual cosa té un gran potencial de desenvolupament.La invenció de les bateries de liti i sofre es remunta als anys 60, quan Herbert i Ulam van sol·licitar una patent de bateries.El prototip d'aquesta bateria de sofre de liti utilitzava liti o aliatge de liti com a material d'elèctrode negatiu, sofre com a material d'elèctrode positiu i compost d'amines saturades alifàtiques.d'electròlit.Uns anys més tard, es van millorar les bateries de sofre de liti amb la introducció de dissolvents orgànics com PC, DMSO i DMF, i es van obtenir bateries de 2,35-2,5V.A finals de la dècada de 1980, es va demostrar que els èters eren útils en bateries de sofre de liti.En estudis posteriors, el descobriment d'electròlits basats en èter, l'ús de LiNO3 com a additiu d'electròlits i la proposta d'elèctrodes positius compostos de carboni/sofre han obert el boom de la investigació de les bateries de liti i sofre.
02 Principi de funcionament de la bateria de liti-aire i de la bateria de liti-sofre
① Bateria Li-aire
Segons els diferents estats de l'electròlit utilitzat, les bateries de liti-aire es poden dividir en sistemes aquosos, sistemes orgànics, sistemes híbrids aigua-orgànics i bateries de liti-aire d'estat sòlid.Entre ells, a causa de la baixa capacitat específica de les bateries de liti-aire que utilitzen electròlits a base d'aigua, les dificultats per protegir el liti metàl·lic i la poca reversibilitat del sistema, les bateries de liti-aire orgàniques no aquoses i les bateries de liti-aire en estat sòlid. les bateries són més utilitzades actualment.Recerca.Les bateries de liti-aire no aquoses van ser proposades per primera vegada per Abraham i Z.Jiang l'any 1996. L'equació de la reacció de descàrrega es mostra a la figura 1. La reacció de càrrega és la contrària.L'electròlit utilitza principalment electròlit orgànic o electròlit sòlid, i el producte de descàrrega és principalment Li2O2, el producte és insoluble a l'electròlit i és fàcil d'acumular a l'elèctrode positiu d'aire, afectant la capacitat de descàrrega de la bateria de liti-aire.
Les bateries de liti-aire tenen els avantatges de la densitat d'energia ultra alta, el respecte al medi ambient i el baix preu, però la seva investigació encara està en els seus inicis, i encara hi ha molts problemes per resoldre, com ara la catàlisi de la reacció de reducció d'oxigen, la permeabilitat a l'oxigen i hidrofobicitat dels elèctrodes d'aire, i la desactivació d'elèctrodes d'aire, etc.
② Bateria de sofre de liti
Les bateries de sofre de liti utilitzen principalment sofre elemental o compostos a base de sofre com a material d'elèctrode positiu de la bateria, i el liti metàl·lic s'utilitza principalment per a l'elèctrode negatiu.Durant el procés de descàrrega, el metall liti situat a l'elèctrode negatiu s'oxida per perdre un electró i generar ions de liti;llavors els electrons es transfereixen a l'elèctrode positiu a través del circuit extern i els ions de liti generats també es transfereixen a l'elèctrode positiu a través de l'electròlit per reaccionar amb sofre per formar polisulfur.Liti (LiPSs), i després reaccionen més per generar sulfur de liti per completar el procés de descàrrega.Durant el procés de càrrega, els ions de liti dels LiPS tornen a l'elèctrode negatiu a través de l'electròlit, mentre que els electrons tornen a l'elèctrode negatiu a través d'un circuit extern per formar metall de liti amb ions de liti, i els LiPS es redueixen a sofre a l'elèctrode positiu per completar el procés. procés de càrrega.
El procés de descàrrega de les bateries de liti-sofre és principalment una reacció electroquímica complexa de múltiples passos, multielectrons i múltiples fases al càtode de sofre, i els LiPS amb diferents longituds de cadena es transformen entre si durant el procés de càrrega-descàrrega.Durant el procés de descàrrega, la reacció que es pot produir a l'elèctrode positiu es mostra a la figura 2, i la reacció a l'elèctrode negatiu es mostra a la figura 3.
Els avantatges de les bateries de liti-sofre són molt evidents, com ara una capacitat teòrica molt alta;no hi ha oxigen al material i la reacció d'evolució d'oxigen no es produirà, de manera que el rendiment de seguretat és bo;els recursos de sofre són abundants i el sofre elemental és barat;és respectuós amb el medi ambient i té una baixa toxicitat.Tanmateix, les bateries de sofre de liti també tenen alguns problemes difícils, com ara l'efecte llançadora de polisulfur de liti;l'aïllament del sofre elemental i els seus productes de descàrrega;el problema dels grans canvis de volum;el SEI inestable i els problemes de seguretat causats pels ànodes de liti;fenomen d'autodescàrrega, etc.
Com a nova generació de sistemes de bateries secundàries, les bateries de liti-aire i les bateries de liti-sofre tenen valors de capacitat específica teòrica molt elevats i han cridat una gran atenció dels investigadors i del mercat de les bateries secundàries.Actualment, aquestes dues bateries encara s'enfronten a molts problemes científics i tècnics.Es troben en l'etapa de recerca inicial del desenvolupament de la bateria.A més de la capacitat i l'estabilitat específiques del material del càtode de la bateria que cal millorar encara més, també s'han de resoldre amb urgència qüestions clau com ara la seguretat de la bateria.En el futur, aquests dos nous tipus de bateries encara necessiten una millora tècnica contínua per eliminar els seus defectes per tal d'obrir perspectives d'aplicació més àmplies.
Hora de publicació: abril-07-2023