01 Mik azok a lítium-levegő akkumulátorok és lítium-kén akkumulátorok?
① Li-air akkumulátor
A lítium-levegő akkumulátor oxigént használ pozitív elektróda reagensként és fém-lítiumot negatív elektródaként.Elméleti energiasűrűsége nagy (3500wh/kg), tényleges energiasűrűsége pedig elérheti az 500-1000wh/kg-ot, ami jóval magasabb, mint a hagyományos lítium-ion akkumulátor rendszer.A lítium-levegő akkumulátorok pozitív elektródákból, elektrolitokból és negatív elektródákból állnak.A nem vizes akkumulátoros rendszerekben jelenleg tiszta oxigént használnak reakciógázként, így a lítium-levegő akkumulátorokat lítium-oxigén akkumulátoroknak is nevezhetjük.
1996-ban Abraham et al.sikeresen összeállította az első nem vizes lítium-levegő akkumulátort a laboratóriumban.Aztán a kutatók elkezdtek figyelni a nemvizes lítium-levegő akkumulátorok belső elektrokémiai reakciójára és mechanizmusára;2002-ben Read et al.megállapította, hogy a lítium-levegő akkumulátorok elektrokémiai teljesítménye az elektrolit oldószertől és a levegőkatód anyagától függ;2006-ban Ogasawara et al.Tömegspektrométerrel először igazolták, hogy a Li2O2 oxidálódik és oxigén szabadul fel a töltés során, ami megerősítette a Li2O2 elektrokémiai reverzibilitását.Ezért a lítium-levegő akkumulátorok nagy figyelmet és gyors fejlődést kaptak.
② Lítium-kén akkumulátor
A lítium-kén akkumulátor egy másodlagos akkumulátorrendszer, amely a nagy fajlagos kapacitású kén (1675 mAh/g) és a fém lítium (3860 mAh/g) reverzibilis reakcióján alapul, átlagos kisülési feszültsége körülbelül 2,15 V.Elméleti energiasűrűsége elérheti a 2600wh/kg-ot.Alapanyagainak előnye az alacsony költség és a környezetbarát, így nagy fejlesztési potenciállal rendelkezik.A lítium-kén akkumulátorok feltalálása az 1960-as évekre vezethető vissza, amikor Herbert és Ulam akkumulátor szabadalmat kért.Ennek a lítium-kén akkumulátornak a prototípusa lítiumot vagy lítiumötvözetet használt negatív elektród anyagként, ként a pozitív elektród anyagaként, és alifás telített aminokat tartalmazott.az elektrolitból.Néhány évvel később a lítium-kén akkumulátorokat szerves oldószerek, például PC, DMSO és DMF bevezetésével javították, és 2,35-2,5 V-os akkumulátorokat kaptak.Az 1980-as évek végére bebizonyosodott, hogy az éterek hasznosak lítium-kén akkumulátorokban.A későbbi tanulmányok során az éter alapú elektrolitok felfedezése, a LiNO3 elektrolit-adalékanyagként történő alkalmazása és a szén/kén kompozit pozitív elektródák javaslata megnyitotta a lítium-kén akkumulátorok kutatási fellendülését.
02 A lítium-levegő akkumulátor és a lítium-kén akkumulátor működési elve
① Li-air akkumulátor
A felhasznált elektrolit különböző halmazállapota szerint a lítium-levegő akkumulátorok vizes rendszerekre, szerves rendszerekre, víz-szerves hibrid rendszerekre és szilárdtest-lítium-levegő akkumulátorokra oszthatók.Többek között a vízbázisú elektrolitokat használó lítium-levegő akkumulátorok alacsony fajlagos kapacitása, a fém lítium védelmének nehézségei és a rendszer rossz visszafordíthatósága miatt a nem vizes szerves lítium-levegő akkumulátorok és a teljesen szilárdtest-lítium-levegő akkumulátorok. jelenleg szélesebb körben használják az akkumulátorokat.Kutatás.A nem-vizes lítium-levegő akkumulátorokat először Abraham és Z. Jiang javasolta 1996-ban. A kisülési reakció egyenlete az 1. ábrán látható. A töltési reakció ennek az ellenkezője.Az elektrolit főként szerves elektrolitot vagy szilárd elektrolitot használ, és a kisülési termék főleg Li2O2, a termék nem oldódik az elektrolitban, és könnyen felhalmozódik a levegő pozitív elektródán, ami befolyásolja a lítium-levegő akkumulátor kisülési kapacitását.
A lítium-levegő akkumulátorok előnye az ultra-nagy energiasűrűség, a környezetbarátság és az alacsony ár, de kutatásuk még gyerekcipőben jár, és még sok a megoldásra váró probléma, mint például az oxigénredukciós reakció katalízise, a a levegőelektródák oxigénáteresztő képessége és hidrofóbsága, valamint a levegőelektródák deaktiválása stb.
② Lítium-kén akkumulátor
A lítium-kén akkumulátorok főként elemi ként vagy kén alapú vegyületeket használnak az akkumulátor pozitív elektróda anyagaként, a fém lítiumot pedig a negatív elektródákhoz.A kisülési folyamat során a negatív elektródán található fém-lítium oxidálódik, így elektront veszít, és lítium-ionokat generál;majd az elektronok a külső áramkörön keresztül a pozitív elektródára kerülnek, és a keletkezett lítium-ionok az elektroliton keresztül szintén a pozitív elektródára kerülnek, hogy a kénnel reagálva poliszulfidot képezzenek.Lítium (LiPS), majd tovább reagálva lítium-szulfidot hoz létre a kisülési folyamat befejezéséhez.A töltési folyamat során a LiPS-ekben lévő lítium-ionok az elektroliton keresztül visszatérnek a negatív elektródához, míg az elektronok egy külső áramkörön keresztül a negatív elektródához térnek vissza, hogy lítium-ionokkal fémlítiumot képezzenek, az LiPS-ek pedig kénné redukálódnak a pozitív elektródán, hogy befejezzék a töltési folyamat.
A lítium-kén akkumulátorok kisülési folyamata főként többlépcsős, többelektronos, többfázisú komplex elektrokémiai reakció a kén katódon, és a különböző lánchosszúságú LiPS-ek a töltés-kisütés során alakulnak át egymásba.A kisülési folyamat során a pozitív elektródán fellépő reakciót a 2. ábra, a negatív elektródán a 3. ábrán a reakciót mutatja.
A lítium-kén akkumulátorok előnyei nagyon nyilvánvalóak, mint például a nagyon nagy elméleti kapacitás;nincs oxigén az anyagban, és oxigénfejlődési reakció nem megy végbe, így a biztonsági teljesítmény jó;a kénkészletek bőségesek, az elemi kén pedig olcsó;környezetbarát és alacsony toxicitású.Azonban a lítium-kén akkumulátorokkal is vannak kihívást jelentő problémák, például a lítium-poliszulfid ingahatás;az elemi kén és kisülési termékeinek szigetelése;a nagy volumenváltozások problémája;a lítium anódok által okozott instabil SEI és biztonsági problémák;önkisülési jelenség stb.
A másodlagos akkumulátorrendszerek új generációjaként a lítium-levegő akkumulátorok és a lítium-kén akkumulátorok nagyon magas elméleti fajlagos kapacitásértékekkel rendelkeznek, és nagy figyelmet szenteltek a kutatóknak és a másodlagos akkumulátorpiacnak.Jelenleg ez a két akkumulátor még mindig számos tudományos és műszaki problémával küzd.Az akkumulátorfejlesztés korai kutatási szakaszában járnak.Amellett, hogy az akkumulátor katódanyagának fajlagos kapacitása és stabilitása további javításra szorul, olyan kulcsfontosságú kérdéseket is sürgősen meg kell oldani, mint az akkumulátor biztonsága.A jövőben ez a két új típusú akkumulátor továbbra is folyamatos műszaki fejlesztésre szorul a hibáik kiküszöbölése érdekében, hogy szélesebb körű alkalmazási lehetőségek nyíljanak meg.
Feladás időpontja: 2023.07.07