01 Apakah bateri litium-udara dan bateri litium-sulfur?
① Bateri Li-air
Bateri litium-udara menggunakan oksigen sebagai bahan tindak balas elektrod positif dan litium logam sebagai elektrod negatif.Ia mempunyai ketumpatan tenaga teori yang tinggi (3500wh/kg), dan ketumpatan tenaga sebenar boleh mencapai 500-1000wh/kg, yang jauh lebih tinggi daripada sistem bateri lithium-ion konvensional.Bateri litium-udara terdiri daripada elektrod positif, elektrolit dan elektrod negatif.Dalam sistem bateri bukan akueus, oksigen tulen kini digunakan sebagai gas tindak balas, jadi bateri litium-udara juga boleh dipanggil bateri litium-oksigen.
Pada tahun 1996, Abraham et al.berjaya memasang bateri litium-udara bukan akueus pertama di makmal.Kemudian penyelidik mula memberi perhatian kepada tindak balas elektrokimia dalaman dan mekanisme bateri litium-udara bukan akueus;pada tahun 2002, Read et al.mendapati bahawa prestasi elektrokimia bateri litium-udara bergantung kepada pelarut elektrolit dan bahan katod udara;pada tahun 2006, Ogasawara et al.menggunakan Spektrometer jisim, ia telah dibuktikan buat kali pertama bahawa Li2O2 telah teroksida dan oksigen dibebaskan semasa pengecasan, yang mengesahkan keterbalikan elektrokimia Li2O2.Oleh itu, bateri litium-udara telah mendapat banyak perhatian dan perkembangan pesat.
② Bateri litium-sulfur
Bateri litium-sulfur ialah sistem bateri sekunder berdasarkan tindak balas boleh balik sulfur kapasiti spesifik tinggi (1675mAh/g) dan logam litium (3860mAh/g), dengan purata voltan nyahcas kira-kira 2.15V.Ketumpatan tenaga teorinya boleh mencapai 2600wh/kg.Bahan mentahnya mempunyai kelebihan kos rendah dan mesra alam, jadi ia mempunyai potensi pembangunan yang besar.Penciptaan bateri litium-sulfur boleh dikesan kembali pada tahun 1960-an, apabila Herbert dan Ulam memohon paten bateri.Prototaip bateri litium-sulfur ini menggunakan litium atau aloi litium sebagai bahan elektrod negatif, sulfur sebagai bahan elektrod positif dan terdiri daripada amina tepu alifatik.daripada elektrolit.Beberapa tahun kemudian, bateri litium-sulfur telah ditambah baik dengan memperkenalkan pelarut organik seperti PC, DMSO, dan DMF, dan bateri 2.35-2.5V telah diperolehi.Menjelang akhir 1980-an, eter telah terbukti berguna dalam bateri litium-sulfur.Dalam kajian seterusnya, penemuan elektrolit berasaskan eter, penggunaan LiNO3 sebagai aditif elektrolit, dan cadangan elektrod positif komposit karbon/sulfur telah membuka ledakan penyelidikan bateri litium-sulfur.
02 Prinsip kerja bateri litium-udara dan bateri litium-sulfur
① Bateri Li-air
Mengikut keadaan elektrolit yang berbeza yang digunakan, bateri litium-udara boleh dibahagikan kepada sistem akueus, sistem organik, sistem hibrid air-organik, dan bateri litium-udara keadaan pepejal.Antaranya, disebabkan kapasiti spesifik rendah bateri litium-udara yang menggunakan elektrolit berasaskan air, kesukaran dalam melindungi logam litium, dan keterbalikan sistem yang lemah, bateri litium-udara organik bukan akueus dan litium-udara semua keadaan pepejal. bateri lebih banyak digunakan pada masa ini.Penyelidikan.Bateri litium-udara bukan akueus pertama kali dicadangkan oleh Abraham dan Z.Jiang pada tahun 1996. Persamaan tindak balas nyahcas ditunjukkan dalam Rajah 1. Tindak balas pengecasan adalah sebaliknya.Elektrolit terutamanya menggunakan elektrolit organik atau elektrolit pepejal, dan produk pelepasan terutamanya Li2O2, produk tidak larut dalam elektrolit, dan mudah terkumpul pada elektrod positif udara, menjejaskan kapasiti pelepasan bateri litium-udara.
Bateri litium-udara mempunyai kelebihan ketumpatan tenaga ultra tinggi, keramahan alam sekitar, dan harga yang rendah, tetapi penyelidikan mereka masih di peringkat awal, dan masih terdapat banyak masalah yang perlu diselesaikan, seperti pemangkinan tindak balas pengurangan oksigen, kebolehtelapan oksigen dan hidrofobisiti elektrod udara, dan penyahaktifan elektrod udara dsb.
② Bateri litium-sulfur
Bateri litium-sulfur terutamanya menggunakan unsur sulfur atau sebatian berasaskan sulfur sebagai bahan elektrod positif bateri, dan litium logam digunakan terutamanya untuk elektrod negatif.Semasa proses nyahcas, litium logam yang terletak di elektrod negatif teroksida untuk kehilangan elektron dan menjana ion litium;kemudian elektron dipindahkan ke elektrod positif melalui litar luar, dan ion litium yang dihasilkan juga dipindahkan ke elektrod positif melalui elektrolit untuk bertindak balas dengan sulfur untuk membentuk polisulfida.Litium (LiPSs), dan kemudian bertindak balas untuk menghasilkan litium sulfida untuk melengkapkan proses nyahcas.Semasa proses pengecasan, ion litium dalam LiPS kembali ke elektrod negatif melalui elektrolit, manakala elektron kembali ke elektrod negatif melalui litar luaran untuk membentuk logam litium dengan ion litium, dan LiPS dikurangkan kepada sulfur pada elektrod positif untuk melengkapkan proses pengecasan.
Proses nyahcas bateri litium-sulfur adalah terutamanya tindak balas elektrokimia kompleks berbilang langkah, berbilang elektron, berbilang fasa pada katod sulfur, dan LiPS dengan panjang rantai yang berbeza diubah menjadi satu sama lain semasa proses nyahcas cas.Semasa proses nyahcas, tindak balas yang mungkin berlaku pada elektrod positif ditunjukkan dalam Rajah 2, dan tindak balas pada elektrod negatif ditunjukkan dalam Rajah 3.
Kelebihan bateri litium-sulfur sangat jelas, seperti kapasiti teori yang sangat tinggi;tiada oksigen dalam bahan, dan tindak balas evolusi oksigen tidak akan berlaku, jadi prestasi keselamatan adalah baik;sumber sulfur adalah banyak dan unsur sulfur adalah murah;ia mesra alam dan mempunyai ketoksikan yang rendah.Walau bagaimanapun, bateri litium-sulfur juga mempunyai beberapa masalah yang mencabar, seperti kesan ulang-alik litium polysulfide;penebat unsur sulfur dan produk nyahcasnya;masalah perubahan volum yang besar;SEI yang tidak stabil dan masalah keselamatan yang disebabkan oleh anod litium;fenomena pelepasan diri, dsb.
Sebagai generasi baharu sistem bateri sekunder, bateri litium-udara dan bateri litium-sulfur mempunyai nilai kapasiti khusus teori yang sangat tinggi, dan telah menarik perhatian meluas daripada penyelidik dan pasaran bateri sekunder.Pada masa ini, kedua-dua bateri ini masih menghadapi banyak masalah saintifik dan teknikal.Mereka berada dalam peringkat penyelidikan awal pembangunan bateri.Selain kapasiti dan kestabilan khusus bahan katod bateri yang perlu dipertingkatkan lagi, isu utama seperti keselamatan bateri juga perlu diselesaikan dengan segera.Pada masa hadapan, kedua-dua jenis bateri baharu ini masih memerlukan penambahbaikan teknikal yang berterusan untuk menghapuskan kecacatannya bagi membuka prospek aplikasi yang lebih luas.
Masa siaran: Apr-07-2023