Литиево-воздушная батарея - работа, сравнение и прорыв

Как работают литий-воздушные батареи?

Элемент Li-Air генерирует напряжение из-за наличия молекул кислорода (O2) в положительном электроде. O2 реагирует с положительно заряженными ионами лития с образованием пероксида лития (Li2O2) и вырабатывает электричество. Электроны удаляются с электрода, и эта батарея разряжается (разряжается), если невозможно сформировать больше Li2O2

Однако Li2O2 - очень плохой электронный проводник. Если отложения Li2O2 растут на поверхности электрода, который обеспечивает электроны для реакции, он затухает и в конечном итоге устраняет реакцию и, следовательно, заряд батареи. Эту проблему можно преодолеть, если продукт реакции (в данном случае перекись лития) хранится рядом с электродом, но не покрывает его.

Исследователи из Кембриджа нашли рецепт, который делает именно это: используйте стандартную электролитическую смесь и добавляйте йодид лития (LI) в качестве добавки. Эксперимент команды также включает губчатый и губчатый электрод, состоящий из множества тонких слоев графена, заполненных большими порами.

Последний, но не менее важный ингредиент - очень небольшое количество воды (H2O). С помощью этой комбинации химикатов реакция разряда батареи не приведет к образованию Li2O2, что может привести к увеличению проводящей поверхности электрода (см. Рисунок внизу слева). Вместо этого он содержит водород, который был удален из воды (H2O) с образованием кристаллов гидроксида лития (LiOH).

Эти кристаллы заполняют пористые размеры губчатого углеродного электрода, но особенно не закрывают и не блокируют жизненно важную поверхность углерода, которая генерирует напряжение питания (правая сторона). Следовательно, присутствие йодида лития в качестве «помощника» (хотя его точная функция еще не ясна) и воды в качестве сореагента в процессе увеличивает емкость литий-воздушной батареи.

В чем разница между воздушно-литиевым и литиево-ионным аккумулятором?

Литий-воздушная технология стала очень востребованной областью из-за технических ограничений зрелой литий-ионной батареи. Для достижения приложений с высокой плотностью энергии, таких как электромобили, которые могут преодолевать расстояние до 300 миль на одной зарядке, были предприняты усилия с использованием передовых технологий, таких как Li-air. Абрахам, опубликовавший первую статью о неводных литиево-воздушных батареях в 1996 году в статье JES, озаглавленной «Перезаряжаемая литиево-кислородная батарея на основе электролитов», за последние 10 лет стал свидетелем этого необычного преобразования. Литий-воздушная батарея объединяет кислород из литиевого воздуха, присутствующего в аноде. Смесь производит перекись лития в фазе разряда и разрушение литиевых и кислородных компонентов в фазе заряда. Считается, что литий-воздушные батареи содержат в пять раз больше энергии, чем те же литий-ионные батареи, которые используются в современных телефонах, ноутбуках и электромобилях. Однако первые идеи «литий-воздух» часто терпели неудачу. Когда ионы лития объединяются с диоксидом углерода и водяным паром в воздухе, результатом часто являются побочные продукты, которые окружают катод.

Чтобы предотвратить накопление и позволить батарее функционировать в естественной среде, исследователи UIC и Argonne покрыли литиевый анод тонким слоем карбоната лития. Покрытие позволяет ионам лития в анод проникать через электролит, предотвращая попадание нежелательных соединений на анод.

В экспериментальных проектах литий-воздушных батарей кислород попадает в электролит через губчатую структуру снега на основе углерода.

Салехи-Ходжин и его коллеги покрыли решеточную структуру катализатором на основе дисульфида молибдена. Уникальный гибридный электролит, состоящий из ионной жидкости и диметилсульфоксида, обычного компонента электролитов аккумуляторных батарей, облегчил литий-кислородные реакции, уменьшил реакции лития с другими элементами воздуха и повысил эффективность аккумулятора.

Какая скорость зарядки?

Скорость зарядки в это время будет аналогична литий-ионной батарее. Его можно было бы увеличить с помощью дополнительных исследований.

Как ваш новый дизайн работает от литий-ионных аккумуляторов?

Используя химические связи между Li и кислородом, батареи могут хранить гораздо больше энергии, потому что связи более плотные, чем взаимодействия интеркаляции между Li и слоями оксида металла, используемыми в литий-ионных батареях.

Какова вероятность воспламенения или взрыва (при проколе, перегреве, перезарядке и т. Д.)?

Частью нашей опубликованной Li-Air батареи является литиевый анод. Известно, что может произойти взрыв. Многие ученые работают над вопросом безопасности литиевого анода и, вероятно, приложат немало усилий, чтобы сделать его более безопасным. Однако следует отметить, что мы защищаем поверхность литиевого анода с помощью электрического изолятора, но с использованием ионопроводящего материала, чтобы избежать взрыва из-за короткого замыкания батареи между анодом и катодом. Это также предотвращает перегрев аккумулятора.

Каковы ожидаемые виды отказов?

Это будет исследовано во время увеличения масштаба.

Прорыв в технологии воздушно-литиевых батарей

По словам К. М. Абрахама, соавтора статьи, он позволяет катализировать реакцию восстановления кислорода марганцем, в то время как кобальт катализирует реакцию заряда батареи.

«Это дает возможность для будущих исследований по разработке аналогичных материалов для оптимизации катализа литий-воздушной батареи с материалом, который сочетает в себе функции этих смешанных оксидов металлов», - говорит Абрахам.

Поскольку оксиды переходных металлов также используются в качестве катодов для литий-ионных батарей, Абрахам считает, что эта новая разработка может открыть возможности для будущих приложений, в которых две аккумуляторные батареи могут использоваться устойчивым образом.

«Поскольку эти каталитические материалы также разрабатываются для катодов литий-ионных аккумуляторов, это может быть способом использования электродов литий-ионных аккумуляторов для другой цели: их использования в качестве катализаторов в литий-ионных аккумуляторах», - говорит Абрахам. «Li-Air в настоящее время интенсивно исследуется, но все еще есть препятствия, которые нам необходимо преодолеть, прежде чем они смогут быть применены на практике», - говорит Абрахам. «Я думаю, что в ближайшем будущем использование специальных приложений будет ограниченным, но пройдет некоторое время, прежде чем технология будет полностью использована». Однако фундаментальные разработки способствуют развитию технологий и доводят их до конечной цели широкого применения. «Ион лития зрелый, и теперь нам нужна батарея с гораздо более высокой плотностью энергии», - говорит Абрахам. «Это еще один шаг к раскрытию потенциала Li-Air».