01 Mis on liitium-õhk- ja liitium-väävelakud?
① Li-air aku
Liitium-õhkpatarei kasutab positiivse elektroodi reagendina hapnikku ja negatiivse elektroodina metallliitiumi.Sellel on kõrge teoreetiline energiatihedus (3500 Wh / kg) ja selle tegelik energiatihedus võib ulatuda 500–1000 wh / kg, mis on palju suurem kui tavalisel liitiumioonaku süsteemil.Liitium-õhk akud koosnevad positiivsetest elektroodidest, elektrolüütidest ja negatiivsetest elektroodidest.Mittevesipatareide süsteemides kasutatakse praegu reaktsioonigaasina puhast hapnikku, seega võib liitium-õhkpatareisid nimetada ka liitium-hapniku akudeks.
1996. aastal avaldasid Abraham jt.pani laboris edukalt kokku esimese mittevesipõhise liitium-õhk aku.Seejärel hakkasid teadlased pöörama tähelepanu mittevesipõhiste liitium-õhkpatareide sisemisele elektrokeemilisele reaktsioonile ja mehhanismile;aastal 2002, Read et al.leidis, et liitium-õhkpatareide elektrokeemiline jõudlus sõltus elektrolüüdi lahustist ja õhkkatoodi materjalidest;2006. aastal Ogasawara jt.Kasutatud massispektromeetrit tõestati esmakordselt, et Li2O2 oksüdeerus ja laadimisel eraldus hapnik, mis kinnitas Li2O2 elektrokeemilist pöörduvust.Seetõttu on liitium-õhk akud saanud palju tähelepanu ja kiiret arengut.
② Liitium-väävelaku
Liitium-väävelaku on sekundaarne akusüsteem, mis põhineb suure erivõimsusega väävli (1675 mAh/g) ja liitiummetalli (3860 mAh/g) pöörduval reaktsioonil, mille keskmine tühjenduspinge on umbes 2,15 V.Selle teoreetiline energiatihedus võib ulatuda 2600wh/kg.Selle tooraine eelisteks on madal hind ja keskkonnasõbralikkus, seega on sellel suur arengupotentsiaal.Liitium-väävelakude leiutamist saab jälgida 1960. aastatest, mil Herbert ja Ulam taotlesid akupatenti.Selle liitium-väävelaku prototüübis kasutati negatiivse elektroodi materjalina liitiumi või liitiumisulamit, positiivse elektroodi materjalina väävlit ja koosnes alifaatsetest küllastunud amiinidest.elektrolüüdist.Mõni aasta hiljem täiustati liitium-väävelakusid orgaaniliste lahustite, nagu PC, DMSO ja DMF, kasutuselevõtuga ning saadi 2,35–2,5 V patareid.1980. aastate lõpuks tõestati, et eetrid on liitium-väävelakudes kasulikud.Järgnevates uuringutes on eetripõhiste elektrolüütide avastamine, LiNO3 kasutamine elektrolüüdi lisandina ja süsinik/väävel komposiitpositiivsete elektroodide ettepanek avanud liitium-väävelakude uurimisbuumi.
02 Liitium-õhk- ja liitium-väävelaku tööpõhimõte
① Li-air aku
Vastavalt kasutatava elektrolüüdi erinevatele olekutele võib liitium-õhkpatareid jagada vesisüsteemideks, orgaanilisteks süsteemideks, vesi-orgaanilisteks hübriidsüsteemideks ja täisfaasilisteks liitium-õhkpatareideks.Nende hulgas veepõhiseid elektrolüüte kasutavate liitium-õhk akude väikese erivõimsuse, liitiummetalli kaitsmise raskuste ja süsteemi halva pöörduvuse tõttu, mittevesipõhised orgaanilised liitium-õhk akud ja tahkefaasilised liitium-õhk akusid kasutatakse praegu laialdasemalt.Uurimine.Mittevesi-liitium-õhk akud pakkusid esmakordselt välja Abraham ja Z.Jiang 1996. aastal. Tühjenemisreaktsiooni võrrand on näidatud joonisel 1. Laadimisreaktsioon on vastupidine.Elektrolüüdis kasutatakse peamiselt orgaanilist elektrolüüti või tahket elektrolüüti ja tühjendusprodukt on peamiselt Li2O2, toode on elektrolüüdis lahustumatu ja seda on lihtne õhupositiivsele elektroodile koguneda, mõjutades liitium-õhk aku tühjendusvõimsust.
Liitium-õhkpatareide eelisteks on ülikõrge energiatihedus, keskkonnasõbralikkus ja madal hind, kuid nende uurimine on alles lapsekingades ja lahendada on veel palju probleeme, nagu hapniku redutseerimise reaktsiooni katalüüs, õhuelektroodide hapniku läbilaskvus ja hüdrofoobsus ning õhuelektroodide desaktiveerimine jne.
② Liitium-väävelaku
Liitium-väävelakud kasutavad aku positiivse elektroodi materjalina peamiselt elementaarset väävlit või väävlipõhiseid ühendeid ja negatiivse elektroodi jaoks kasutatakse peamiselt metallilist liitiumi.Tühjendusprotsessi käigus oksüdeeritakse negatiivse elektroodi juures asuv metallliitium, kaotades elektroni ja genereerides liitiumioone;seejärel kantakse elektronid välise ahela kaudu positiivsele elektroodile ja genereeritud liitiumioonid kantakse samuti läbi elektrolüüdi positiivsele elektroodile, et reageerida väävliga, moodustades polüsulfiidi.Liitium (LiPS) ja seejärel täiendavalt reageerida liitiumsulfiidi tekitamiseks tühjendusprotsessi lõpuleviimiseks.Laadimisprotsessi käigus naasevad LiPS-ides olevad liitiumioonid läbi elektrolüüdi negatiivsele elektroodile, elektronid aga naasevad negatiivsele elektroodile välise vooluringi kaudu, et moodustada liitiumioonidega liitiummetalli, ja LiPS-id redutseeritakse positiivse elektroodi juures väävliks. laadimisprotsess.
Liitium-väävelakude tühjendusprotsess on peamiselt mitmeastmeline, mitmeelektroniline, mitmefaasiline kompleksne elektrokeemiline reaktsioon väävelkatoodil ning erineva ahelapikkusega LiPS-id muundatakse laadimis-tühjenemise protsessi käigus üksteiseks.Tühjendamisprotsessi ajal positiivsel elektroodil esineda võiv reaktsioon on näidatud joonisel 2 ja reaktsioon negatiivse elektroodi juures on näidatud joonisel 3.
Liitium-väävelakude eelised on väga ilmsed, näiteks väga suur teoreetiline võimsus;materjalis ei ole hapnikku ja hapniku eraldumise reaktsiooni ei toimu, seega on ohutusnäitajad head;väävlivarud on külluses ja elementaarne väävel on odav;see on keskkonnasõbralik ja madala toksilisusega.Liitium-väävelakudel on aga ka mõningaid väljakutseid tekitavaid probleeme, näiteks liitiumpolüsulfiidi süstikuefekt;elementaarse väävli ja selle väljutustoodete isolatsioon;suurte mahumuutuste probleem;liitiumanoodide põhjustatud ebastabiilne SEI ja ohutusprobleemid;isetühjenemise nähtus jne.
Uue põlvkonna sekundaarse akusüsteemina on liitium-õhk- ja liitium-väävelpatareidel väga kõrge teoreetiline erivõimsuse väärtus ning need on äratanud teadlaste ja akude järelturu laialdast tähelepanu.Praegu seisavad need kaks akut endiselt silmitsi paljude teaduslike ja tehniliste probleemidega.Nad on akude arendamise varajases uurimisfaasis.Lisaks sellele, et aku katoodi materjali erivõimsus ja stabiilsus vajavad täiendavat parandamist, tuleb kiiresti lahendada ka sellised põhiprobleemid nagu aku ohutus.Tulevikus vajavad need kaks uut tüüpi akut endiselt pidevat tehnilist täiustamist, et kõrvaldada nende defektid, et avada laiemad kasutusvõimalused.
Postitusaeg: aprill-07-2023