01 Cosa sono le batterie litio-aria e le batterie litio-zolfo?
① Batteria Li-aria
La batteria litio-aria utilizza l'ossigeno come reagente dell'elettrodo positivo e il litio metallico come elettrodo negativo.Ha un'elevata densità di energia teorica (3500wh/kg) e la sua densità di energia effettiva può raggiungere i 500-1000wh/kg, che è molto più alta rispetto al sistema di batterie agli ioni di litio convenzionale.Le batterie litio-aria sono composte da elettrodi positivi, elettroliti ed elettrodi negativi.Nei sistemi di batterie non acquose, l'ossigeno puro viene attualmente utilizzato come gas di reazione, quindi le batterie litio-aria possono anche essere chiamate batterie litio-ossigeno.
Nel 1996, Abramo et al.ha assemblato con successo in laboratorio la prima batteria litio-aria non acquosa.Quindi i ricercatori hanno iniziato a prestare attenzione alla reazione elettrochimica interna e al meccanismo delle batterie litio-aria non acquose;nel 2002, Read et al.scoperto che le prestazioni elettrochimiche delle batterie litio-aria dipendevano dal solvente elettrolitico e dai materiali del catodo ad aria;nel 2006, Ogasawara et al.utilizzato lo spettrometro di massa, è stato dimostrato per la prima volta che il Li2O2 è stato ossidato e l'ossigeno è stato rilasciato durante la carica, il che ha confermato la reversibilità elettrochimica del Li2O2.Pertanto, le batterie al litio-aria hanno ricevuto molta attenzione e un rapido sviluppo.
② Batteria al litio-zolfo
La batteria al litio-zolfo è un sistema di batterie secondarie basato sulla reazione reversibile di zolfo ad alta capacità specifica (1675mAh/g) e litio metallico (3860mAh/g), con una tensione di scarica media di circa 2,15V.La sua densità energetica teorica può raggiungere i 2600wh/kg.Le sue materie prime hanno i vantaggi del basso costo e della compatibilità ambientale, quindi ha un grande potenziale di sviluppo.L'invenzione delle batterie al litio-zolfo può essere fatta risalire agli anni '60, quando Herbert e Ulam fecero domanda per un brevetto per batterie.Il prototipo di questa batteria al litio-zolfo utilizzava litio o lega di litio come materiale dell'elettrodo negativo, zolfo come materiale dell'elettrodo positivo e composto da ammine sature alifatiche.di elettrolita.Pochi anni dopo, le batterie al litio-zolfo furono migliorate introducendo solventi organici come PC, DMSO e DMF e furono ottenute batterie da 2,35-2,5 V.Alla fine degli anni '80, gli eteri si dimostrarono utili nelle batterie al litio-zolfo.In studi successivi, la scoperta di elettroliti a base di etere, l'uso di LiNO3 come additivo per elettroliti e la proposta di elettrodi positivi compositi carbonio/zolfo hanno aperto il boom della ricerca sulle batterie litio-zolfo.
02 Principio di funzionamento della batteria al litio-aria e della batteria al litio-zolfo
① Batteria Li-aria
In base ai diversi stati dell'elettrolita utilizzato, le batterie litio-aria possono essere suddivise in sistemi acquosi, sistemi organici, sistemi ibridi acqua-organici e batterie litio-aria a stato solido.Tra questi, a causa della bassa capacità specifica delle batterie litio-aria che utilizzano elettroliti a base acquosa, difficoltà nella protezione del litio metallico e scarsa reversibilità del sistema, batterie litio-aria organiche non acquose e litio-aria completamente allo stato solido le batterie sono attualmente più ampiamente utilizzate.Ricerca.Le batterie litio-aria non acquose sono state proposte per la prima volta da Abraham e Z.Jiang nel 1996. L'equazione della reazione di scarica è mostrata nella Figura 1. La reazione di carica è l'opposto.L'elettrolita utilizza principalmente elettrolita organico o elettrolita solido e il prodotto di scarica è principalmente Li2O2, il prodotto è insolubile nell'elettrolita ed è facile da accumulare sull'elettrodo positivo dell'aria, influenzando la capacità di scarica della batteria litio-aria.
Le batterie al litio-aria presentano i vantaggi di un'altissima densità energetica, compatibilità ambientale e basso prezzo, ma la loro ricerca è ancora agli inizi e ci sono ancora molti problemi da risolvere, come la catalisi della reazione di riduzione dell'ossigeno, il permeabilità all'ossigeno e idrofobicità degli elettrodi ad aria e la disattivazione degli elettrodi ad aria ecc.
② Batteria al litio-zolfo
Le batterie al litio-zolfo utilizzano principalmente zolfo elementare o composti a base di zolfo come materiale dell'elettrodo positivo della batteria e il litio metallico viene utilizzato principalmente per l'elettrodo negativo.Durante il processo di scarica, il litio metallico situato sull'elettrodo negativo viene ossidato per perdere un elettrone e generare ioni di litio;quindi gli elettroni vengono trasferiti all'elettrodo positivo attraverso il circuito esterno e anche gli ioni di litio generati vengono trasferiti all'elettrodo positivo attraverso l'elettrolita per reagire con lo zolfo per formare polisolfuro.Litio (LiPSs), e quindi reagire ulteriormente per generare solfuro di litio per completare il processo di scarica.Durante il processo di carica, gli ioni di litio nei LiPS ritornano all'elettrodo negativo attraverso l'elettrolita, mentre gli elettroni ritornano all'elettrodo negativo attraverso un circuito esterno per formare litio metallico con ioni di litio, e i LiPS vengono ridotti a zolfo sull'elettrodo positivo per completare il processo di ricarica.
Il processo di scarica delle batterie litio-zolfo è principalmente una reazione elettrochimica complessa multifase, multielettrone e multifase sul catodo di zolfo, e i LiPS con diverse lunghezze di catena vengono trasformati l'uno nell'altro durante il processo di carica-scarica.Durante il processo di scarica, la reazione che può verificarsi all'elettrodo positivo è mostrata nella Figura 2 e la reazione all'elettrodo negativo è mostrata nella Figura 3.
I vantaggi delle batterie litio-zolfo sono molto evidenti, come l'altissima capacità teorica;non c'è ossigeno nel materiale e non si verificherà la reazione di evoluzione dell'ossigeno, quindi le prestazioni di sicurezza sono buone;le risorse di zolfo sono abbondanti e lo zolfo elementare è economico;è ecologico e ha una bassa tossicità.Tuttavia, le batterie litio-zolfo presentano anche alcuni problemi impegnativi, come l'effetto navetta del polisolfuro di litio;l'isolamento dello zolfo elementare e dei suoi prodotti di scarico;il problema delle grandi variazioni di volume;il SEI instabile ei problemi di sicurezza causati dagli anodi al litio;fenomeno di autoscarica, ecc.
Come sistema di batterie secondarie di nuova generazione, le batterie al litio-aria e le batterie al litio-zolfo hanno valori di capacità specifica teorici molto elevati e hanno attirato un'ampia attenzione da parte dei ricercatori e del mercato delle batterie secondarie.Al momento, queste due batterie stanno ancora affrontando molti problemi scientifici e tecnici.Sono nella prima fase di ricerca dello sviluppo della batteria.Oltre alla capacità specifica e alla stabilità del materiale del catodo della batteria che devono essere ulteriormente migliorate, anche questioni chiave come la sicurezza della batteria devono essere risolte con urgenza.In futuro, questi due nuovi tipi di batterie necessitano ancora di continui miglioramenti tecnici per eliminare i loro difetti e aprire prospettive applicative più ampie.
Tempo di pubblicazione: aprile-07-2023