Расскажите мне больше о литиево-кислородной батарее

Вступление

В современной жизни многие электронные устройства питаются от литий-ионной батареи. Эти батареи упростили использование наших устройств, таких как мобильные телефоны и ноутбуки, где бы мы ни находились. Литий-ионные батареи ассоциируются с высокой плотностью энергии. Однако их энергетической плотности все же недостаточно. Растут потребности в источниках энергии с более высокой плотностью энергии, и именно это привело к поиску альтернатив. Растущее стремление искать альтернативы интеркаляционной химии литий-ионных батарей привело к повышенному интересу к литий-кислородным батареям. Эти батареи заряжаются и разряжаются за счет преобразования лития и кислорода в оксид металла и обратно.

Что такое литиево-кислородная батарея?

Литий-кислородный аккумулятор - это новый тип аккумуляторной батареи, который может содержать больше энергии и работать дольше, чем его предшественники, такие как литий-ионный аккумулятор. Эти батареи сделаны из более экологичных материалов, чем обычные литий-ионные батареи. Они действительно считаются многообещающими кандидатами для следующего поколения аккумуляторных батарей.

Литий-кислородные батареи состоят из двух электродов, анода и катода, разделенных электролитом. Когда батарея разряжается, молекулы кислорода на катоде соединяются с ионами лития из электролита с образованием твердого соединения, известного как пероксид лития. Химическая реакция между кислородом и ионами лития - это то, что высвобождает энергию. Когда батарея заряжается, перекись лития распадается на части, при этом литий и кислород возвращаются в свои исходные положения.

Однако ковка перекиси лития приводит к образованию нескольких нежелательных химических побочных продуктов, которые тратят энергию. Это, в свою очередь, заставляет литий-кислородный аккумулятор доставлять только около 80 процентов накопленного электрического заряда устройству, которое оно питает. Эти нежелательные химические вещества могут также повредить электролит и катод батареи, поэтому батареи часто выходят из строя всего после нескольких десятков циклов перезарядки.

Тем не менее, все еще продолжаются исследования, как создать лучшую литий-кислородную батарею. Чтобы создать лучшую батарею, некоторые производители заменили типичный органический электролит на неорганическую расплавленную соль, а стандартный катод на углеродной основе - на катод на основе металла.

В случае типичной литий-кислородной батареи, когда она разряжает или питает другое устройство, между кислородом и ионами лития происходит химическая реакция, приводящая к образованию кристаллов пероксида лития на поверхности катода. С другой стороны, разрядка новой литий-кислородной батареи приводит к образованию оксида лития на поверхности катода, что позволяет батарее обеспечивать больше энергии и дольше служить.

В новой литий-кислородной батарее кислород соединяется с литием с образованием оксида лития. Эта химическая реакция позволяет аккумулятору накапливать на 50 процентов больше энергии, чем реакция с перекисью лития. Следовательно, новая конструкция может привести к производству более энергоемких батарей, чем предыдущая конструкция. Более того, при ковке оксида лития не образуются нежелательные побочные химические продукты, в отличие от пероксида лития. В результате новая литий-кислородная батарея способна передавать почти весь накопленный заряд другим устройствам и может выдерживать большее количество циклов перезарядки, чем другие литий-кислородные батареи.

Новые аккумуляторы вселяют в электромобили больше надежд. Однако еще предстоит проделать определенную работу, прежде чем их можно будет использовать в электромобилях. Основная причина заключается в том, что для работы новые литиево-кислородные батареи необходимо нагреть как минимум до 150 градусов Цельсия. Следовательно, вам придется сначала найти способ нагреть аккумулятор при запуске автомобиля.

Прогресс в области аккумуляторных батарей обычно невероятно медленный и требует многих лет, чтобы многообещающие достижения в лаборатории перешли на коммерческую арену. Новые литий-кислородные батареи все еще должны достичь гораздо большего срока службы, чтобы конкурировать с литий-ионными батареями и другими типами батарей, присутствующими в настоящее время на рынке.

Преимущества литиево-кислородной батареи

Все хотят иметь лучшие аккумуляторы для питания наших различных электронных устройств, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и даже электромобили. Нынешний литий-ионный аккумулятор, который используется почти в электронных устройствах, не имеет достаточной плотности энергии. Батарею нужно заряжать каждый день.

Литий-кислородные батареи считаются очень многообещающими технологиями аккумуляторов для электромобилей и электронных устройств из-за их теоретического потенциала для обеспечения высокой выходной энергии, пропорциональной их весу. Эти батареи действительно рекламируются как идеальное тесто. Они ассоциируются с высокой плотностью энергии, которая в десять раз больше, чем у литий-ионной батареи. Эта высокая плотность энергии фактически была бы сопоставима с плотностью бензина и позволила бы электромобилю с аккумулятором, стоимость которого в пять раз меньше, а вес в пять раз меньше, чем у тех, которые сейчас представлены на рынке, проехать около 500 миль на одной зарядке.

Еще одно преимущество новой литий-кислородной батареи состоит в том, что она изначально защищена от перезарядки. Это потому, что химическая реакция в этой батарее фактически самоограничивающаяся. Когда аккумулятор перезаряжается, химическая реакция принимает другую форму, что предотвращает дальнейшую активность. В большинстве случаев перезаряд обычной батареи может вызвать необратимые повреждения конструкции или даже взрыв. Но литиево-кислородный аккумулятор не повреждается из-за перезарядки.

Еще одна замечательная особенность этих батарей в том, что они имеют долгий срок службы. Лабораторная версия новой литий-кислородной батареи прошла 120 циклов зарядки и разрядки и показала потерю емкости менее 2 процентов.

Новые литий-кислородные батареи можно устанавливать и эксплуатировать так же, как обычные твердые литий-ионные батареи, и для них не потребуются какие-либо вспомогательные компоненты. Это означает, что батареи можно легко адаптировать к существующим установкам или обычным конструкциям аккумуляторных батарей для электромобилей, электронных устройств или даже накопителей энергии в масштабе сети.

Новые литий-кислородные батареи имеют катоды, которые намного легче, чем катоды обычных литий-ионных батарей. Это означает, что эта батарея может хранить вдвое больше энергии при заданном весе катода. Дальнейшая доработка конструкции может фактически увеличить емкость аккумуляторов вдвое.

Как работает литиево-кислородная батарея?

Обычные литий-кислородные батареи втягивают кислород из внешнего воздуха для облегчения химической реакции с ионами лития во время цикла разрядки. Затем этот кислород снова выпускается в атмосферу во время обратной реакции в цикле зарядки. Во время разряда или когда батарея питает другое устройство, кислород, взятый из атмосферы, соединяется с ионами лития, образуя кристаллы пероксида лития на катоде, высвобождая таким образом энергию. Эта химическая реакция часто приводит к появлению других побочных продуктов, которые могут вызвать коррозию катода и тем самым сократить срок службы батареи. Когда батарея заряжается, перекись лития распадается на части, при этом литий и кислород возвращаются в свою первоначальную форму.

В новой литиево-кислородной батарее такие же электрохимические реакции происходят между литием и кислородом во время зарядки и разрядки. Однако во время разряда ионы лития соединяются с кислородом с образованием оксида лития. Химическая реакция приводит к выделению энергии без каких-либо нежелательных побочных продуктов. В новой батарее кислород не переходит в газообразную форму. Вместо этого он остается внутри твердого тела. Это помогает уменьшить потерю напряжения в пять раз с 1,2 вольт до 0,24 вольт, и поэтому только небольшой процент электрической энергии превращается в тепло. В результате аккумулятор может обеспечивать больше энергии и даже дольше.

В обычной литий-кислородной батарее химическая реакция, которая происходит во время зарядки и разрядки, преобразует кислород между газообразной и твердой формами. Это приводит к тому, что материал претерпевает огромные изменения объема, которые повреждают пути электропроводности в батарее, что значительно сокращает ее срок службы.

Заключение

Во всем мире растет спрос на батареи с более высокой плотностью энергии. Вы сами испытали потребность в батарее более высокой плотности. Литий-ионные батареи используются повсеместно для питания электрических устройств и даже электромобилей, но их удельной энергии все еще недостаточно. Новые литиево-кислородные батареи были рекламированы как лучшая батарея и лучшая альтернатива литий-ионным батареям из-за их более высокой плотности энергии. Этот подход все еще находится в стадии разработки и может занять больше времени, прежде чем они перейдут на арену коммерциализации. Тем не менее, они представляют хорошее будущее для электромобилей и электронных устройств.