Lithium-Luft-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien

Chinas Nachrichten zum energiespeicher: Der derzeitige Forschungsschwerpunkt für lithium-ionen-batterien liegt hauptsächlich auf Lithium-Luft-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien. Beide werden als das größte Potenzial für die Entwicklung einer Lithium-Batterie der neuen Generation angesehen. Sie haben anstelle von Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial einen sehr großen Unterschied zwischen Struktur und Reaktionsmechanismus.

1. Lithium-Luft-Batterien

Lithium-Luft-Batterien sind eine der Metall-Luft-Batterien. Aufgrund der Verwendung des Lithium-Metalls mit dem niedrigsten Molekulargewicht als Wirkstoff ist seine theoretische spezifische Energie sehr hoch. Berechnen Sie keine Sauerstoffqualität von 11140 wh / kg Die verfügbare Energiedichte kann auch 1700 wh / kg erreichen, weit höher als bei anderen Batteriesystemen. Die Grundstruktur und der Arbeitsmechanismus der Lithium-Luft-Batterien sind in der folgenden Abbildung dargestellt.


Lithium-Luft-Batterien durch die Verwendung des Elektrolytstatus ist unterschiedlich, die Haupt kann in Wassersystem, das organische System, Wasser-organische Hybrid-System und Festkörper-Lithium-Luft-Batterien unterteilt werden. Im organischen System arbeiten Lithium-Luft-Batterien, internes Material O2 Durch die poröse Luftelektrode in die Batterie wird die Elektrodenoberfläche zu O2 - oder O22 - katalytisch und dann mit Li + im Elektrolyten, Lithium erzeugendem Peroxid (Li2O2) oder Lithiumoxid (Li2O), Produktablagerung in der Luftelektrodenoberfläche kombiniert. Wenn die gesamte Luft im Luftelektrodenloch nach dem Ende der Batterieentladung durch das Produkt blockiert ist. Die Elektrodenreaktion ist unten dargestellt:

Das Positive: O2 + e - li + 2 + 2? Li2O2; O2 + 4 e - + 4 li +? 2 li2o

Negativ: Li? Li ++ e -

Die Gesamtantwort: 2 li + O 2 - Li 2 O 2 (2,96 V); 4 li + O 2 - 2 li 2 o (2,91 V)

Lithium-Luft-Batterien haben eine unvergleichliche ultrahohe Energiedichte, sind umweltfreundlich und der Preis ist niedrig. Warten Sie auf einen Vorteil. Die Forschung ist jedoch die Hauptstufe, so dass viele heikle Probleme hauptsächlich Folgendes umfassen:

(1) Die positive Reaktion erfordert einen Katalysator. Der Entladungsprozess ist in Abwesenheit des Katalysators und der Sauerstoffreduktion langsam. Die Plattform beim Laden der Spannung beträgt etwa 4 V, was leicht zu einer Zersetzung des Elektrolyten und zu Nebenwirkungen führt. Verwenden Sie den geeigneten Katalysator, um die Zellreaktion zu unterstützen.

(2) Lithium-Luft-Batterien sind ein offenes System, das wie Elektrolytverflüchtigung, elektrolytischer flüssiger Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit verursachen kann und CO2 mit metallischem Lithium usw. zu einer Reihe tödlicher Probleme führt.

(3) das Problem der Überlastung des Luftelektrodenkanals. Die erzeugte Entladung löst sich nicht im Elektrolyten Li2O und Li2O2 sammelt sich in der Luftelektrode und blockiert den Luftkanal, bei Deaktivierung der Luftelektrode, Entladungsende.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Lithiumbatterie in der Luft viele Probleme zu lösen hat: einschließlich der Sauerstoffreduktionsreaktion der Katalyse, der hydrophoben Sauerstoffelektrode durch Luft, der Deaktivierung der Luftelektrode. Obwohl Lithiumluftbatterien einige Fortschritte erzielt haben, aber eine echte Anwendung hat noch einen langen Weg vor sich.

2. Lithium-Schwefel-Batterien

Lithium-Batterie-Forschung aus den 1970er Jahren, aber die tatsächliche Kapazität von Lithium-Schwefel-Batterien war nicht hoch, starke Dämpfung, wurde 2009 nicht ernst genommen, LindaF. Die Nazar-Gruppe berichtete, dass Schwefelkohlenstoffverbindungen als Lithiumbatterie-Kathodenmaterial für eine bessere Zirkulation und eine hohe Entladekapazität eine heiße Welle der Lithiumbatterieforschung auslösten. Lithium-Schwefel-Batterien werden hauptsächlich in elementarem Schwefel oder Harvard für Batteriekathodenmaterialien verwendet, Anoden verwenden hauptsächlich Metalllithium , seine Batteriestruktur wie gezeigt.


Bei den Anodenmaterialien für elementaren Schwefel (hauptsächlich die S8-Ringform) beträgt die theoretische spezifische Kapazität 1675 mah / g, die theoretische Entladungsspannung 2,287 V und die theoretische Energiedichte 2600 wh / kg. Beim Laden und Entladen wird die Elektrodenreaktion gezeigt unten:

Das Positive: die S8 (s) + e - li + 2 + 2? Li2S8;

Li2S8 + 2e- + 2Li +? 2Li2S4 ；

Li2S4 + 2e- + 2Li +? 2Li2S2 (s) ；

Li2S2 (s) + 2e- + 2Li + 2Li2S (s)

Negativ: Li? Li ++ e -

Gesamtreaktion: die S8 e - (s) + 16 + 16 li + 8 li2s (s)

Lithium-Schwefel-Batterien, die Reaktion der Anodenmaterialien ist mehr als ein Elektron, mehrstufige Reaktion Schritt für Schritt, wie gezeigt.


Schwefelentladungsprozess, zum Beispiel einfach, kann in zwei Stufen unterteilt werden, zunächst fester elementarer Schwefel S8 Li2S8 mit Li + Flüssigkeit, wobei die Vertiefung des Entladungsgrades erfolgt, nachdem lösliches Li2S6 schließlich lösliches Li2S4 erzeugt, entsprechend dem Spannung von 2,4 V bis 2,1 V Plattform, der Prozess mit der Bildung von flüssigem Material, Reaktionsgeschwindigkeit schneller. Dann mit weiterer Entladung, bei 2,1 V Spannungsplattform, lösliches Li2S4 in unlösliche feste Phase Li2S2 und schließlich Endprodukte von festen -phasiges Li2S bewirkt aufgrund des in dieser Stufe erzeugten Feststoffstarts eine langsame Ionendiffusion, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit langsamer ist. Anders als bei herkömmlichen Materialien mit Lithiumionenbatterien, Lithiumbatterieladung und Entladung von elementarem Schwefel und Sulfidschwefelzwischenprodukt Polysulfidlithium Li2Sx (x = 2-8) und nicht durch Lithiumionen in Anodenmaterial und Anodenmaterialien zum Einbetten und Hin- und Herbewegen zwischen Ladung und Entladung, also li Die Leistung der Thium-Schwefel-Batterie wird durch das positive Elektrodenmaterial des Lithiumions beeinflusst, um die eingebettete Fähigkeit zu beeinträchtigen.

Die Vorteile von Lithium-Schwefel-Batterien liegen auf der Hand: Sie haben eine sehr hohe theoretische Kapazität, kein Sauerstoff, das Material erzeugt keine Sauerstoffentwicklungsreaktion, daher ist es eine gute Sicherheit, Schwefelressourcen und elementarer Schwefelpreis sind sehr niedrig, umweltfreundlich, geringe Toxizität Lithium-Schwefel-Batterien reale Anwendung ist mit einigen Problemen konfrontiert, hauptsächlich:

Schlecht: (1) Leitfähigkeit und Leitlithiumschwefelmoleküle im elementaren Schwefel in 8 S sind miteinander verbunden, um Koronar S8 zu bilden, gehört zu den typischen Elektronen, Ionenisolatoren, die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur beträgt nur 5 x 10 bis 30 S / cm Produkt und Li2S2 und Li2S sind ebenfalls elektrische Isolatoren. Und die Verwendung von aktivem Material ist nicht hoch, die Rate der schlechten Leistung. Wird hauptsächlich durch die Herstellung einer kleinen Größe von Schwefel-Kohlenstoff-Verbundmaterial zur Lösung der elektrischen Leitfähigkeit der Lithium-Schwefel-Batterien vorhanden Batterieanodenmaterialien und leitende sexuelle Probleme mit Lithium.

Shuttle-Effekt: (2) Polysulfid-Lithium-Schwefel im Lade- und Entladevorgang der Lithiumbatterie, die lange Kette von Polysulfid-Lithium-Li2Sx (4 "x 8) oder weniger löst sich im Elektrolyten durch die Membran auf, erreicht die Reduktion der Kathode und kurzkettiges Polysulfidlithium Li2Sx (<2 x 4 oder weniger) und nicht lösliches Li2S2, Li2S, Korrosion der Kathode. Lösliches Polysulfidlithium kann auch durch das Diaphragma zur Anode zurückkehren und das als Shuttle bekannte Phänomen hin und her pendeln Wirkung von Polysulfid-Lithium, wie gezeigt. Dieser Effekt bewirkt die Selbstentladung des aktiven Materials von Lithium-Schwefel-Batterien, was dazu führt, dass die Coulomb-Effizienz des Materials nicht hoch ist.


(3) das Volumenausdehnungsproblem: Wenn es vollständig in Lithiumsulfid geladen ist, wird eine Volumenausdehnung von 76% Schwefel, die leicht die Struktur der Anodenmaterialien verursacht, zerstört, beeinflusst die Stabilität des aktiven Materials, verursacht eine Kapazitätsdämpfung.

(4) Lithiummetallanode: Da der Schwefel selbst keine Lithiumatome enthält, muss daher Lithiummetallelement als Anodenmaterial verwendet werden, aber zwangsläufig entsteht so ein Lithiumdendritenproblem, das sichere versteckte Probleme mit sich bringt.

Obwohl Lithium-Schwefel-Batterien immer noch einige Probleme bestehen, verbessern in den letzten Jahren mit der Vertiefung der Forschung an Lithium-Schwefel-Batterien die Partikelgröße durch Reduzieren von Schwefel, Schwefelmaterialien zum Beschichten, die Herstellung von Lithium-Schwefel-Kohlenstoff-Verbundmaterialien für die Polysulfidabsorption eine Vielzahl Eine Reihe von Maßnahmen wie der Elektrolyt zur Verbesserung der Kapazität von Schwefelmaterialien und der Zirkularität haben große Fortschritte erzielt.

In den letzten dreißig Jahren hat Lithium electricPool eine rasante Entwicklung erfahren, die durch das Lithium-Ionen-Batteriesystem der Sekundärbatterie zur Stromquelle verschiedener kleiner tragbarer elektronischer Geräte geworden ist. Elektronische Produkte wurden durch die Entwicklung von Smartphones, Tablets und Digitalkameras, Laptops und andere tragbare Geräte weit verbreitet. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Gesellschaft, Sekundärbatterie in der steigenden Nachfrage von großen elektrischen Geräten, aber angesichts einer Theorie des Anodenmaterials in Lithium-Ionen-Batterie ist der Grenzwert niedrig, in der Leistung Versorgungssystem für große elektrische Geräte begrenzt.Lithiumbatterie und Lithiumbatterie Luftsystem, da eine neue Generation von Sekundärbatterien einen sehr hohen theoretischen spezifischen Kapazitätswert aufweist, erhalten die ernsthafte Aufmerksamkeit von Forschern und Sekundärbatteriemarkt jedoch die aktuellen Lithiumluftbatterien und Die Forschung an lithiumbatterien befindet sich noch in der Entwicklungsphase Kapazität von Batteriekathodenmaterialien und müssen die Stabilität weiter verbessern, sicherheitskritische Probleme, wie Batterien, müssen gelöst werden. Zum Verständnis des Funktionsprinzips des Lithiumbatteriekathodenmaterials, das beim Erfassen des Kerns dieser Art von hilfreich ist Probleme bei der Batterieforschung, Beherrschung der Entwicklung des Batteriekathodenmaterials.

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