Литий-воздушные батареи и литиево-серные батареи

Новости Китая о накоплении энергии: текущие исследования литий-ионных аккумуляторов в основном сосредоточены на воздушно-литиевых и литиево-серных аккумуляторах, которые считаются наиболее перспективными для разработки литиевых аккумуляторов нового поколения. Их вместо литий-ионных аккумуляторов материал катода по структуре и механизму реакции имеют очень большое различие.

1. Воздушно-литиевые батареи

Воздушно-литиевые батареи являются одними из металлических воздушных батарей, поскольку в качестве активного материала используется металлический литий с самым низким молекулярным весом, его теоретическая удельная энергия очень высока. Не рассчитывайте качество кислорода 11140 Вт · ч / кг, фактически доступная плотность энергии также может достигать 1700 Вт / кг, что намного выше, чем у других аккумуляторных систем. Базовая конструкция и рабочий механизм литий-воздушных батарей показаны на рисунке ниже.


Литий-воздушные батареи с помощью состояния электролита различаются, основные можно разделить на водную систему, органическую систему, водно-органическую гибридную систему и твердотельные воздушно-литиевые батареи. В органической системе работают литий-воздушные батареи, внутренний материал O2 через пористый воздушный электрод в батарею поверхность электрода каталитически превращается в O2 - или O22 -, а затем соединяется с Li + в электролите, генерирующим литий пероксидом (Li2O2) или оксидом лития (Li2O), осаждением продукта на поверхности воздушного электрода. Когда весь воздух в отверстии воздушного электрода блокируется продуктом после окончания разряда батареи, реакция электрода показана ниже:

Положительный: O2 + e - li + 2 + 2? Li2O2; O2 + 4 e - + 4 li +? 2 li2o

Отрицательный: Li? Li ++ e -

Суммарный отклик: 2 li + O2? Li2O2 (2,96 В); 4 li + O2? 2 li2o (2,91 В).

Воздушно-литиевые батареи имеют несравнимую сверхвысокую плотность энергии, безопасны для окружающей среды и невысоки по цене, ждите преимущества, но их исследования являются основным этапом, поэтому многие острые проблемы, в основном, включают:

(1) для положительной реакции требуется катализатор. Процесс разряда в отсутствие катализатора и восстановление кислорода происходит медленно; Платформа в процессе зарядки напряжение составляет 4 В или около того, что легко вызывает разложение электролита и побочные эффекты. Необходимо использовать соответствующий катализатор, чтобы помочь клеточной реакции.

(2) воздушно-литиевые батареи - это открытая система, которая может вызвать, например, улетучивание электролита, электролитический жидкий кислород и влагу в воздухе, а также реакцию CO2 с металлическим литием и т. Д. Ряд фатальных проблем.

(3) проблема закупорки канала воздушного электрода. Образовавшийся разряд не растворяется в электролите. Li2O, и Li2O2 накапливается в воздушном электроде, блокируя воздушный канал, при деактивации воздушного электрода, окончании разряда.

Подводя итог, можно сказать, что у литиевой батареи есть много проблем, которые необходимо решить в воздухе: в том числе реакция восстановления кислорода при катализе, гидрофобный кислородный электрод через воздух, деактивация воздушного электрода. Хотя воздушно-литиевые батареи достигли определенного прогресса, но реальное применение еще предстоит пройти долгий путь.

2. Литий-серные батареи

Исследования литиевых батарей начались в 1970-х годах, но фактическая емкость литиево-серных батарей была невысока, серьезное затухание не воспринималось всерьез. 2009, LindaF. Группа Назар сообщила, что соединения серы и углерода в качестве катодного материала литиевых батарей для лучшей циркуляции и высокой разрядной емкости вызвали горячую волну исследований литиевых батарей. Литий-серные батареи в основном используются в элементарной сере или гарварде для катодных материалов батарей, основное применение анода - металлический литий. , структура его батареи, как показано.


С материалами анода для элементарной серы (в основном кольцевой формы S8) его теоретическая удельная емкость составляет 1675 мАч / г, теоретическое напряжение разряда 2,287 В, теоретическая плотность энергии составляет 2600 Вт · ч / кг. При зарядке и разрядке показана реакция электрода. ниже:

Положительный: S8 (s) + e - li + 2 + 2? Li2S8;

Li2S8 + 2e- + 2Li +? 2Li2S4 ；

Li2S4 + 2e- + 2Li +? 2Li2S2 (т) ；

Li2S2 (т) + 2e- + 2Li +? 2Li2S (т)

Отрицательный: Li? Li ++ e -

Общая реакция: S8 e - (s) + 16 + 16 li +? 8 li2s (s)

Литий-серные батареи, реакция анодных материалов - это более чем один электрон, многоступенчатая реакция шаг за шагом, как показано.


Процесс выгрузки серы, например, простой можно разделить на две стадии, во-первых, твердую элементарную серу S8 Li2S8 с жидкостью Li +, причем углубление степени разряда будет после того, как растворимый Li2S6 в конечном итоге произведет растворимый Li2S4, соответствующий Напряжение платформы от 2,4 В до 2,1 В, процесс с образованием жидкого материала, скорость реакции выше. Затем при дальнейшем разряде, при напряжении платформы 2,1 В, растворимый Li2S4 в нерастворимую твердую фазу Li2S2 и в конечном итоге образуются конечные продукты -фаза Li2S, из-за образования твердого вещества на этой стадии, замедляет диффузию ионов, поэтому скорость реакции ниже. В отличие от традиционного материала литий-ионных аккумуляторов, заряда литиевых аккумуляторов и разряда элементарной серы и промежуточного соединения сульфидной серы после полисульфид лития Li2Sx (x = 2-8), а не ион лития в материале анода и материалах анода для встраивания и заделки взад и вперед между зарядкой и разрядом, таким образом, li На производительность тий-серной батареи влияет материал положительного электрода из литий-ионного аккумулятора, чтобы снять встроенную способность.

Преимущества литий-серных батарей очень очевидны: очень высокая теоретическая емкость; отсутствие кислорода, материал не будет вызывать реакции выделения кислорода, поэтому это хорошая безопасность; ресурсы серы и цена элементарной серы очень низкие; экологичность, низкая токсичность. Реальное применение литий-серных батарей сталкивается с некоторыми проблемами, в основном в том числе:

Плохое: (1) проводимость и направляющие молекулы серы лития в элементарной сере в 8 S связаны вместе с образованием коронарного S8, относится к типичным электронным, ионным изоляторам, проводимость при комнатной температуре составляет всего от 5 x 10 до 30 См / см. .Продукт, а также Li2S2 и Li2S также являются электрическими изоляторами. А использование активного материала невелико, уровень плохой производительности. В настоящее время в основном за счет приготовления серо-углеродного композитного материала небольшого размера для решения проблемы электропроводности литиево-серных батарей. материалы анода батареи и проводящие литиевые сексуальные проблемы.

Эффект челнока: (2) полисульфид литий-сера в процессе зарядки и разрядки литиевой батареи, длинная цепочка полисульфида лития Li2Sx (4 "x 8) или меньше будет растворяться в электролите через диафрагму, достигая восстановления катода и короткоцепочечный полисульфид лития Li2Sx (<2 x 4 или меньше) и нерастворимый Li2S2, Li2S, коррозия катода. Растворимый полисульфид лития также может через диафрагму возвращаться на анод, перемещаясь вперед и назад, явление, известное как челнок эффект полисульфида лития, как показано. Этот эффект вызовет саморазряд активного материала литий-серных батарей, из-за чего кулоновская эффективность материала невысока.


(3) проблема объемного расширения: при полной загрузке в сульфид лития, объемное расширение серы 76%, легко вызвать разрушение структуры анодных материалов, влияние на стабильность активного материала, ослабление емкости.

(4) анод из металлического лития: из-за того, что сама сера не содержит атомов лития, поэтому необходимо использовать элементарный металлический литий в качестве анодных материалов, но неизбежно приводит к возникновению проблемы с дендритом лития, что приводит к безопасным скрытым проблемам.

Хотя литиево-серные батареи все еще существуют некоторые проблемы, в последние годы с углублением исследований литиево-серных аккумуляторов размер частиц за счет уменьшения содержания серы, серосодержащих материалов для покрытия, подготовки литий-серно-углеродных композиционных материалов для абсорбции полисульфидов улучшился. таких мер, как использование электролита в улучшении емкости серных материалов и округлости, добился большого прогресса.

За последние тридцать лет литиевый электрический пул пережил быстрое развитие, которое, представленное литиево-ионной аккумуляторной системой вторичной батареи, стало источником питания различного небольшого портативного электронного оборудования, электронные продукты в значительной степени продвигались за счет разработки смартфонов, планшетов, цифровые камеры, ноутбуки и другие портативные устройства для широкого распространения. С непрерывным развитием общества вторичная батарея в увеличивающемся спросе большого электрического оборудования, но с учетом теории анодного материала в литий-ионной батарее предельное значение является низким, в мощности система питания большого электрического оборудования ограничена. литиевая батарея и воздушная система литиевой батареи, поскольку новое поколение вторичных батарей имеет очень высокое теоретическое значение удельной емкости, привлекают пристальное внимание исследователей и рынка вторичных батарей, однако текущие воздушно-литиевые батареи и исследования литиевых батарей все еще находятся в стадии разработки, в дополнение к конкретному Чтобы понять принцип работы катодного материала литиевой батареи, который помогает понять сердцевину такого типа батарей, необходимо решить критические проблемы безопасности, такие как батареи. проблемы исследования аккумуляторов, освоение разработки катодных материалов аккумуляторов.

Страница содержит содержимое машинного перевода.