01 Што такое літый-паветраныя батарэі і літый-серныя батарэі?
① Літый-паветраны акумулятар
Літый-паветраная батарэя выкарыстоўвае кісларод у якасці станоўчага электрода, а металічны літый - у якасці адмоўнага электрода.Ён мае высокую тэарэтычную шчыльнасць энергіі (3500wh/кг), а яго фактычная шчыльнасць энергіі можа дасягаць 500-1000wh/кг, што значна вышэй, чым у звычайнай сістэмы літый-іённых батарэй.Літый-паветраныя батарэі складаюцца з станоўчых электродаў, электралітаў і адмоўных электродаў.У неводных батарэйных сістэмах у цяперашні час у якасці рэакцыйнага газу выкарыстоўваецца чысты кісларод, таму літый-паветраныя батарэі таксама можна назваць літый-кіслароднымі батарэямі.
У 1996 г. Abraham et al.паспяхова сабраў у лабараторыі першую неводную літый-паветраную батарэю.Затым даследчыкі пачалі звяртаць увагу на ўнутраную электрахімічную рэакцыю і механізм неводных літый-паветраных батарэй;у 2002 г. Read і інш.выявілі, што электрахімічныя характарыстыкі літый-паветраных батарэй залежаць ад растваральніка электраліта і матэрыялаў паветранага катода;у 2006 г. Огасавара і інш.выкарыстоўваў Мас-спектрометр, упершыню было даказана, што Li2O2 акісляецца і падчас зарадкі вылучаецца кісларод, што пацвярджае электрахімічную зварачальнасць Li2O2.Такім чынам, літый-паветраныя батарэі атрымалі вялікую ўвагу і хуткае развіццё.
② Літый-серная батарэя
Літый-серная батарэя - гэта другасная акумулятарная сістэма, заснаваная на зварачальнай рэакцыі серы высокай удзельнай ёмістасці (1675 мАг/г) і металічнага літыя (3860 мАг/г), з сярэднім напругай разраду каля 2,15 В.Яго тэарэтычная шчыльнасць энергіі можа дасягаць 2600wh/kg.Яго сыравіна мае такія перавагі, як нізкі кошт і экалагічнасць, таму мае вялікі патэнцыял развіцця.Вынаходніцтва літый-серных батарэй можна аднесці да 1960-х гадоў, калі Герберт і Улам падалі заяўку на патэнт на батарэі.Прататып гэтай літый-сернай батарэі выкарыстоўваў літый або літыевы сплаў у якасці матэрыялу адмоўнага электрода, серу ў якасці матэрыялу станоўчага электрода і складаўся з аліфатычных насычаных амінаў.электраліта.Праз некалькі гадоў літый-серныя батарэі былі ўдасканалены шляхам увядзення арганічных растваральнікаў, такіх як PC, DMSO і DMF, і былі атрыманы батарэі 2,35-2,5V.Да канца 1980-х гадоў было даказана, што простыя эфіры прымяняюцца ў літый-серных батарэях.У наступных даследаваннях адкрыццё электралітаў на аснове эфіру, выкарыстанне LiNO3 у якасці дабаўкі да электраліта і прапанова вугляродна-серных кампазітных станоўчых электродаў адкрылі бум даследаванняў літый-серных батарэй.
02 Прынцып працы літый-паветранай батарэі і літый-сернай батарэі
① Літый-паветраны акумулятар
У залежнасці ад розных станаў выкарыстоўванага электраліта літый-паветраныя акумулятары можна падзяліць на водныя сістэмы, арганічныя сістэмы, гібрыдныя сістэмы вада-арганічныя і цалкам цвёрдацельныя літый-паветраныя акумулятары.Сярод іх, з-за нізкай удзельнай ёмістасці літый-паветраных акумулятараў з выкарыстаннем электралітаў на воднай аснове, цяжкасцей у абароне металічнага літыя і дрэннай зварачальнасці сістэмы, неводныя арганічныя літый-паветраныя акумулятары і цалкам цвёрдацельныя літый-паветраныя акумулятары батарэі ў цяперашні час больш шырока выкарыстоўваюцца.Даследаванні.Літый-паветраныя акумулятары без вады былі ўпершыню прапанаваны Абрахамам і Цзянам у 1996 годзе. Ураўненне рэакцыі разраду паказана на малюнку 1. Рэакцыя зарадкі супрацьлеглая.У якасці электраліта ў асноўным выкарыстоўваецца арганічны электраліт або цвёрды электраліт, а прадуктам разраду ў асноўным з'яўляецца Li2O2, прадукт нерастваральны ў электраліце і лёгка назапашваецца на паветраным станоўчым электродзе, што ўплывае на разрадную ёмістасць літый-паветранай батарэі.
Літый-паветраныя батарэі маюць такія перавагі, як звышвысокая шчыльнасць энергіі, экалагічнасць і нізкая цана, але іх даследаванні ўсё яшчэ знаходзяцца ў зачаткавым стане, і яшчэ трэба вырашыць шмат праблем, такіх як каталіз рэакцыі аднаўлення кіслароду, пранікальнасць кіслароду і гідрафобнасць паветраных электродаў, а таксама дэзактывацыя паветраных электродаў і г.д.
② Літый-серная батарэя
Літый-серныя батарэі ў асноўным выкарыстоўваюць элементарную серу або злучэнні на аснове серы ў якасці матэрыялу станоўчага электрода батарэі, а металічны літый у асноўным выкарыстоўваецца ў якасці адмоўнага электрода.У працэсе разраду металічны літый, размешчаны на адмоўным электродзе, акісляецца, губляючы электрон і ствараючы іёны літыя;затым электроны пераносяцца на станоўчы электрод праз знешні ланцуг, а створаныя іёны літыя таксама пераносяцца на станоўчы электрод праз электраліт для рэакцыі з серай з адукацыяй полісульфіду.Літый (LiPSs), а затым далей рэагуюць, ствараючы сульфід літыя для завяршэння працэсу разраду.У працэсе зарадкі іёны літыя ў LiPS вяртаюцца да адмоўнага электрода праз электраліт, у той час як электроны вяртаюцца да адмоўнага электрода праз знешні ланцуг, утвараючы металічны літый з іёнамі літыя, і LiPS аднаўляюцца да серы на станоўчым электродзе для завяршэння працэсу зарадкі. працэс зарадкі.
Працэс разраду літый-серных батарэй - гэта ў асноўным шматэтапная, шматэлектронная, шматфазная складаная электрахімічная рэакцыя на серным катодзе, і LiPS з рознай даўжынёй ланцуга ператвараюцца адзін у аднаго падчас працэсу зарада-разраду.У працэсе разраду рэакцыя, якая можа адбыцца на станоўчым электродзе, паказана на малюнку 2, а рэакцыя на адмоўным электродзе - на малюнку 3.
Перавагі літый-серных батарэй вельмі відавочныя, напрыклад, вельмі высокая тэарэтычная ёмістасць;у матэрыяле няма кіслароду, і рэакцыя вылучэння кіслароду не адбудзецца, таму паказчыкі бяспекі добрыя;рэсурсы серы багатыя, а элементарная сера танная;ён экалагічна чысты і валодае малой таксічнасцю.Тым не менш, літый-серныя батарэі таксама маюць некаторыя складаныя праблемы, такія як эфект полісульфіду літыя;ізаляцыя элементарнай серы і прадуктаў яе разраду;праблема вялікіх змяненняў аб'ёму;нестабільны SEI і праблемы бяспекі, выкліканыя літыевымі анодамі;з'ява самаразраду і інш.
Літый-паветраныя і літый-серныя акумулятары, як новае пакаленне сістэмы другасных батарэй, маюць вельмі высокія тэарэтычныя значэнні ўдзельнай ёмістасці і прыцягнулі вялікую ўвагу даследчыкаў і рынку другасных батарэй.У цяперашні час гэтыя дзве батарэі ўсё яшчэ сутыкаюцца з мноствам навуковых і тэхнічных праблем.Яны знаходзяцца на ранняй стадыі даследаванняў распрацоўкі батарэі.У дадатак да канкрэтнай ёмістасці і стабільнасці катоднага матэрыялу батарэі, якія патрабуюць далейшага паляпшэння, ключавыя праблемы, такія як бяспека батарэі, таксама павінны быць вырашаны ў тэрміновым парадку.У будучыні гэтыя два новыя тыпы акумулятараў па-ранейшаму патрабуюць пастаяннага тэхнічнага ўдасканалення для ліквідацыі іх дэфектаў, каб адкрыць больш шырокія перспектывы прымянення.
Час публікацыі: 07 красавіка 2023 г