Литий-ауа батареяларының және литий-күкіртті батареялардың негізгі принциптерін түсінуге арналған мақала

01 Литий-ауа батареялары және литий-күкіртті батареялар дегеніміз не?

① Li-air батареясы

Литий-ауа батареясы оң электрод реактиві ретінде оттегін және теріс электрод ретінде металл литийін пайдаланады.Оның жоғары теориялық энергия тығыздығы (3500 Вт/кг) бар және оның нақты энергия тығыздығы 500-1000 Вт/кг жетуі мүмкін, бұл кәдімгі литий-ионды батарея жүйесінен әлдеқайда жоғары.Литий-ауа батареялары оң электродтардан, электролиттерден және теріс электродтардан тұрады.Сусыз батарея жүйелерінде қазіргі уақытта реакция газы ретінде таза оттегі пайдаланылады, сондықтан литий-ауа батареяларын литий-оттегі батареялары деп те атауға болады.

1996 жылы Авраам және т.б.зертханада алғашқы сусыз литий-ауа батареясын сәтті құрастырды.Содан кейін зерттеушілер сусыз литий-ауа батареяларының ішкі электрохимиялық реакциясы мен механизміне назар аудара бастады;2002 жылы Read et al.литий-ауа батареяларының электрохимиялық өнімділігі электролит еріткішіне және ауа катодты материалдарға тәуелді екенін анықтады;2006 жылы Огасавара және т.б.Масс-спектрометрді қолданды, зарядтау кезінде Li2O2 тотыққандығы және оттегінің бөлінетіні алғаш рет дәлелденді, бұл Li2O2 электрохимиялық қайтымдылығын растады.Сондықтан литий-ауа батареялары көп көңіл бөлді және қарқынды дамыды.

② Литий-күкіртті батарея

 Литий-күкіртті аккумулятор – орташа разряд кернеуі шамамен 2,15 В болатын жоғары меншікті сыйымдылығы күкірт (1675 мАч/г) мен литий металының (3860 мАч/г) қайтымды реакциясына негізделген қайталама батарея жүйесі.Оның теориялық энергия тығыздығы 2600 Вт/кг жетуі мүмкін.Оның шикізаты арзан баға мен экологиялық тазалық артықшылықтарына ие, сондықтан оның даму әлеуеті зор.Литий-күкіртті аккумуляторлардың өнертабысын Герберт пен Улам аккумуляторға патент алуға өтініш берген 1960 жылдардан бастауға болады.Бұл литий-күкіртті аккумулятордың прототипінде теріс электрод материалы ретінде литий немесе литий қорытпасы, оң электрод материалы ретінде күкірт және алифатты қаныққан аминдерден құралған.электролит.Бірнеше жылдан кейін литий-күкіртті аккумуляторлар PC, DMSO және DMF сияқты органикалық еріткіштерді енгізу арқылы жетілдіріліп, 2,35-2,5 В батареялары алынды.1980 жылдардың аяғында эфирлердің литий-күкіртті аккумуляторларда пайдалы екендігі дәлелденді.Кейінгі зерттеулерде эфир негізіндегі электролиттердің ашылуы, электролит қоспасы ретінде LiNO3 пайдалану және көміртекті/күкіртті композиттік оң электродтардың ұсынысы литий-күкірт батареяларының зерттеу бумын ашты.

02 Литий-ауа батареясының және литий-күкіртті аккумулятордың жұмыс принципі

① Li-air батареясы

Қолданылатын электролиттің әртүрлі күйлеріне сәйкес литий-ауа батареяларын сулы жүйелерге, органикалық жүйелерге, су-органикалық гибридті жүйелерге және қатты күйдегі литий-ауа батареяларына бөлуге болады.Олардың ішінде су негізіндегі электролиттерді пайдаланатын литий-ауа батареяларының төмен меншікті сыйымдылығына, литий металын қорғаудағы қиындықтарға және жүйенің нашар қайтымдылығына байланысты, сусыз органикалық литий-ауа батареялары және қатты күйдегі литий-ауа. қазіргі уақытта батареялар кеңірек қолданылады.Зерттеу.Сусыз литий-ауа батареяларын алғаш рет 1996 жылы Авраам мен З.Цзян ұсынған. Разряд реакциясының теңдеуі 1-суретте көрсетілген. Зарядтау реакциясы керісінше.Электролит негізінен органикалық электролит немесе қатты электролит пайдаланады, ал разряд өнімі негізінен Li2O2 болып табылады, өнім электролитте ерімейді және литий-ауа батареясының разрядтық сыйымдылығына әсер ететін ауаның оң электродында оңай жиналады.

图1

Литий-ауа аккумуляторларының ультра жоғары энергия тығыздығы, қоршаған ортаға зиянсыздығы және төмен бағасы сияқты артықшылықтары бар, бірақ олардың зерттеулері әлі де бастапқы сатысында және әлі де шешуді қажет ететін көптеген мәселелер бар, мысалы, оттегінің тотықсыздану реакциясының катализі, ауа электродтарының оттегі өткізгіштігі мен гидрофобтылығы, ауа электродтарының дезактивациясы және т.б.

② Литий-күкіртті батарея

Литий-күкіртті аккумуляторлар аккумулятордың оң электродтық материалы ретінде негізінен күкірт немесе күкірт негізіндегі элементтік қосылыстарды пайдаланады, ал металл литий негізінен теріс электрод үшін қолданылады.Разрядтау процесі кезінде теріс электродта орналасқан металл литий электрон жоғалту және литий иондарын тудыру үшін тотығады;содан кейін электрондар сыртқы контур арқылы оң электродқа беріледі, ал түзілген литий иондары да электролит арқылы күкіртпен әрекеттесіп, полисульфид түзу үшін оң электродқа ауысады.Литий (LiPSs), содан кейін разряд процесін аяқтау үшін литий сульфидін жасау үшін одан әрі әрекеттеседі.Зарядтау процесі кезінде LiPS-тегі литий иондары электролит арқылы теріс электродқа оралады, ал электрондар литий иондарымен литий металын қалыптастыру үшін сыртқы контур арқылы теріс электродқа оралады, ал LiPS-тер оң электродта күкіртке дейін тотықсызданады. зарядтау процесі.

Литий-күкіртті аккумуляторлардың разряд процесі негізінен күкірт катодында көп сатылы, көп электронды, көп фазалы күрделі электрохимиялық реакция болып табылады және заряд-разряд процесінде тізбек ұзындығы әртүрлі LiPS бір-біріне айналады.Разряд процесі кезінде оң электродта болуы мүмкін реакция 2-суретте, ал теріс электродтағы реакция 3-суретте көрсетілген.

图2&图3

Литий-күкіртті батареялардың артықшылықтары өте айқын, мысалы, өте жоғары теориялық сыйымдылық;материалда оттегі жоқ және оттегі эволюциясы реакциясы болмайды, сондықтан қауіпсіздік көрсеткіштері жақсы;күкірт ресурстары мол және элементтік күкірт арзан;ол экологиялық таза және уыттылығы төмен.Дегенмен, литий-күкіртті аккумуляторларда да литий полисульфидінің шаттл эффектісі сияқты кейбір күрделі мәселелер бар;элементтік күкірт пен оның ағызу өнімдерін оқшаулау;үлкен көлемді өзгерту мәселесі;литий анодтарынан туындаған тұрақсыз SEI және қауіпсіздік мәселелері;өздігінен разряд құбылысы және т.б.

Екінші реттік батарея жүйесінің жаңа буыны ретінде литий-ауа батареялары мен литий-күкіртті батареялар өте жоғары теориялық меншікті сыйымдылық мәндеріне ие және зерттеушілер мен қайталама батареялар нарығының үлкен назарын аударды.Қазіргі уақытта бұл екі батарея әлі де көптеген ғылыми-техникалық мәселелермен бетпе-бет келеді.Олар аккумуляторды дамытудың бастапқы зерттеу сатысында.Аккумуляторлық катодты материалдың нақты сыйымдылығы мен тұрақтылығына қосымша жақсартуды қажет ететін батарея қауіпсіздігі сияқты негізгі мәселелер де шұғыл түрде шешілуі керек.Болашақта батареялардың осы екі жаңа түрі кеңірек қолдану перспективаларын ашу үшін ақауларын жою үшін әлі де үздіксіз техникалық жетілдіруді қажет етеді.


Жіберу уақыты: 07 сәуір 2023 ж