01 Que son as baterías de litio-aire e as baterías de litio-xofre?
① Batería de litio
A batería de litio-aire usa osíxeno como reactivo do electrodo positivo e litio metálico como electrodo negativo.Ten unha alta densidade de enerxía teórica (3500wh/kg) e a súa densidade de enerxía real pode alcanzar os 500-1000wh/kg, que é moito maior que o sistema convencional de baterías de iones de litio.As baterías de litio-aire están compostas por electrodos positivos, electrolitos e electrodos negativos.Nos sistemas de baterías non acuosas, actualmente úsase o osíxeno puro como gas de reacción, polo que as baterías de litio-aire tamén se poden chamar baterías de litio-osíxeno.
En 1996, Abraham et al.montaron con éxito a primeira batería de litio-aire non acuosa no laboratorio.Entón os investigadores comezaron a prestar atención á reacción electroquímica interna e ao mecanismo das baterías de litio-aire non acuosas;en 2002, Read et al.descubriu que o rendemento electroquímico das baterías de litio-aire dependía do disolvente electrolítico e dos materiais do cátodo de aire;en 2006, Ogasawara et al.usado espectrómetro de masas, demostrouse por primeira vez que Li2O2 se oxidaba e que se liberaba osíxeno durante a carga, o que confirmou a reversibilidade electroquímica do Li2O2.Polo tanto, as baterías de litio-aire recibiron moita atención e un rápido desenvolvemento.
② Batería de litio-xofre
A batería de litio-xofre é un sistema de batería secundario baseado na reacción reversible de xofre de alta capacidade específica (1675 mAh/g) e litio metálico (3860 mAh/g), cunha tensión de descarga media duns 2,15 V.A súa densidade de enerxía teórica pode alcanzar os 2600 wh/kg.As súas materias primas teñen as vantaxes de baixo custo e respeto ao medio ambiente, polo que ten un gran potencial de desenvolvemento.A invención das baterías de litio-xofre remóntase á década de 1960, cando Herbert e Ulam solicitaron unha patente de batería.O prototipo desta batería de litio-xofre utilizou litio ou aliaxe de litio como material de electrodo negativo, xofre como material de electrodo positivo e composto por aminas alifáticas saturadas.de electrólito.Uns anos despois, melloráronse as baterías de litio-xofre introducindo disolventes orgánicos como PC, DMSO e DMF, e obtivéronse baterías de 2,35-2,5V.A finais da década de 1980, demostrouse que os éteres eran útiles nas baterías de xofre de litio.En estudos posteriores, o descubrimento de electrólitos baseados en éter, o uso de LiNO3 como aditivo electrolítico e a proposta de electrodos positivos compostos de carbono/xofre abriron o boom de investigación das baterías de litio-xofre.
02 Principio de funcionamento da batería de litio-aire e da batería de litio-xofre
① Batería de litio
Segundo os diferentes estados do electrólito utilizado, as baterías de litio-aire pódense dividir en sistemas acuosos, sistemas orgánicos, sistemas híbridos auga-orgánicos e baterías de litio-aire de estado sólido.Entre elas, debido á baixa capacidade específica das baterías de litio-aire que utilizan electrólitos a base de auga, as dificultades para protexer o litio metálico e a escasa reversibilidade do sistema, as baterías de litio-aire orgánicos non acuosos e o litio-aire de estado sólido. as baterías son máis utilizadas na actualidade.Investigación.As baterías de litio-aire non acuosas foron propostas por primeira vez por Abraham e Z.Jiang en 1996. A ecuación da reacción de descarga móstrase na Figura 1. A reacción de carga é o contrario.O electrólito usa principalmente electrólito orgánico ou electrólito sólido, e o produto de descarga é principalmente Li2O2, o produto é insoluble no electrólito e é fácil de acumular no electrodo positivo de aire, afectando a capacidade de descarga da batería de litio-aire.
As baterías de litio-aire teñen as vantaxes da densidade de enerxía ultra alta, o respectuoso ambiente e o prezo baixo, pero a súa investigación aínda está na súa infancia e aínda quedan moitos problemas por resolver, como a catálise da reacción de redución de osíxeno, o a permeabilidade ao osíxeno e a hidrofobicidade dos electrodos de aire, e a desactivación dos electrodos de aire, etc.
② Batería de litio-xofre
As baterías de xofre de litio usan principalmente xofre elemental ou compostos a base de xofre como material de electrodo positivo da batería, e o litio metálico úsase principalmente para o electrodo negativo.Durante o proceso de descarga, o litio metálico situado no electrodo negativo oxídase para perder un electrón e xerar ións de litio;entón os electróns transfírense ao electrodo positivo a través do circuíto externo, e os ións de litio xerados tamén son transferidos ao electrodo positivo a través do electrólito para reaccionar co xofre para formar polisulfuro.litio (LiPS) e despois reaccionan para xerar sulfuro de litio para completar o proceso de descarga.Durante o proceso de carga, os ións de litio dos LiPS volven ao electrodo negativo a través do electrólito, mentres que os electróns regresan ao electrodo negativo a través dun circuíto externo para formar metal de litio con ións de litio, e os LiPS redúcense a xofre no electrodo positivo para completar o proceso de carga. proceso de carga.
O proceso de descarga das baterías de xofre de litio é principalmente unha reacción electroquímica complexa de varias fases, varios electróns e varias fases no cátodo de xofre, e os LiPS con diferentes lonxitudes de cadea transfórmanse entre si durante o proceso de carga e descarga.Durante o proceso de descarga, a reacción que pode ocorrer no electrodo positivo móstrase na Figura 2, e a reacción no electrodo negativo móstrase na Figura 3.
As vantaxes das baterías de litio-xofre son moi evidentes, como a capacidade teórica moi alta;non hai osíxeno no material e non se producirá a reacción de evolución do osíxeno, polo que o rendemento de seguridade é bo;os recursos de xofre son abundantes e o xofre elemental é barato;é respectuoso co medio ambiente e ten baixa toxicidade.Non obstante, as baterías de xofre de litio tamén teñen algúns problemas desafiantes, como o efecto lanzadeira de polisulfuro de litio;o illamento de xofre elemental e os seus produtos de descarga;o problema dos grandes cambios de volume;o SEI inestable e os problemas de seguridade causados polos ánodos de litio;fenómeno de autodescarga, etc.
Como unha nova xeración de sistema de baterías secundarias, as baterías de litio-aire e as baterías de xofre de litio teñen valores de capacidade específicas teóricas moi altas e atraeron unha gran atención dos investigadores e do mercado de baterías secundarias.Na actualidade, estas dúas baterías aínda se enfrontan a moitos problemas científicos e técnicos.Están na fase inicial de investigación do desenvolvemento da batería.Ademais de mellorar a capacidade específica e a estabilidade do material do cátodo da batería, tamén hai que resolver con urxencia problemas clave como a seguridade da batería.No futuro, estes dous novos tipos de baterías aínda precisan de melloras técnicas continuas para eliminar os seus defectos co fin de abrir perspectivas de aplicación máis amplas.
Hora de publicación: abril-07-2023