01 O que são baterias de lítio-ar e baterias de lítio-enxofre?
① Bateria Li-air
A bateria de lítio-ar usa oxigênio como reagente de eletrodo positivo e lítio metálico como eletrodo negativo.Tem uma alta densidade de energia teórica (3500wh/kg), e sua densidade de energia real pode chegar a 500-1000wh/kg, que é muito maior do que o sistema convencional de bateria de íons de lítio.As baterias de lítio-ar são compostas por eletrodos positivos, eletrólitos e eletrodos negativos.Em sistemas de baterias não aquosas, o oxigênio puro é atualmente usado como gás de reação, portanto as baterias de lítio-ar também podem ser chamadas de baterias de lítio-oxigênio.
Em 1996, Abraham e cols.montou com sucesso a primeira bateria não aquosa de lítio-ar em laboratório.Então os pesquisadores começaram a prestar atenção à reação eletroquímica interna e ao mecanismo das baterias não aquosas de lítio-ar;em 2002, Read et al.descobriram que o desempenho eletroquímico das baterias de lítio-ar dependia do solvente do eletrólito e dos materiais do cátodo de ar;em 2006, Ogasawara et al.usado espectrômetro de massa, foi provado pela primeira vez que Li2O2 foi oxidado e oxigênio foi liberado durante o carregamento, o que confirmou a reversibilidade eletroquímica de Li2O2.Portanto, as baterias de lítio-ar receberam muita atenção e rápido desenvolvimento.
② Bateria de lítio-enxofre
A bateria de lítio-enxofre é um sistema de bateria secundária baseado na reação reversível de enxofre de alta capacidade específica (1675mAh/g) e lítio metálico (3860mAh/g), com uma tensão média de descarga de cerca de 2,15V.Sua densidade de energia teórica pode chegar a 2600wh/kg.Suas matérias-primas têm as vantagens de baixo custo e respeito ao meio ambiente, por isso tem grande potencial de desenvolvimento.A invenção das baterias de lítio-enxofre pode ser rastreada até a década de 1960, quando Herbert e Ulam solicitaram uma patente de bateria.O protótipo desta bateria de lítio-enxofre utilizou lítio ou liga de lítio como material de eletrodo negativo, enxofre como material de eletrodo positivo e composto de aminas saturadas alifáticas.de eletrólito.Alguns anos depois, as baterias de lítio-enxofre foram aprimoradas com a introdução de solventes orgânicos, como PC, DMSO e DMF, e baterias de 2,35-2,5V foram obtidas.No final da década de 1980, os éteres provaram ser úteis em baterias de lítio-enxofre.Em estudos posteriores, a descoberta de eletrólitos à base de éter, o uso de LiNO3 como aditivo eletrolítico e a proposta de eletrodos positivos compostos de carbono/enxofre abriram o boom da pesquisa de baterias de lítio-enxofre.
02 Princípio de funcionamento da bateria de lítio-ar e bateria de lítio-enxofre
① Bateria Li-air
De acordo com os diferentes estados do eletrólito usado, as baterias de lítio-ar podem ser divididas em sistemas aquosos, sistemas orgânicos, sistemas híbridos água-orgânicos e baterias de lítio-ar totalmente em estado sólido.Entre eles, devido à baixa capacidade específica das baterias de lítio-ar que usam eletrólitos à base de água, dificuldades na proteção do lítio metálico e baixa reversibilidade do sistema, baterias de lítio-ar orgânicas não aquosas e baterias de lítio-ar totalmente em estado sólido as baterias são mais amplamente utilizadas atualmente.Pesquisar.As baterias não aquosas de lítio-ar foram propostas pela primeira vez por Abraham e Z.Jiang em 1996. A equação da reação de descarga é mostrada na Figura 1. A reação de carregamento é o oposto.O eletrólito usa principalmente eletrólito orgânico ou eletrólito sólido, e o produto de descarga é principalmente Li2O2, o produto é insolúvel no eletrólito e é fácil de acumular no eletrodo positivo de ar, afetando a capacidade de descarga da bateria de lítio-ar.
As baterias de lítio-ar têm as vantagens de densidade de energia ultra-alta, respeito ao meio ambiente e baixo preço, mas sua pesquisa ainda está engatinhando e ainda há muitos problemas a serem resolvidos, como a catálise da reação de redução de oxigênio, a permeabilidade ao oxigênio e hidrofobicidade de eletrodos de ar, e a desativação de eletrodos de ar, etc.
② Bateria de lítio-enxofre
As baterias de lítio-enxofre usam principalmente enxofre elementar ou compostos à base de enxofre como material de eletrodo positivo da bateria, e o lítio metálico é usado principalmente para o eletrodo negativo.Durante o processo de descarga, o metal lítio localizado no eletrodo negativo é oxidado para perder um elétron e gerar íons de lítio;então os elétrons são transferidos para o eletrodo positivo através do circuito externo, e os íons de lítio gerados também são transferidos para o eletrodo positivo através do eletrólito para reagir com enxofre para formar polissulfeto.Lítio (LiPSs) e, em seguida, reage para gerar sulfeto de lítio para concluir o processo de descarga.Durante o processo de carregamento, os íons de lítio nos LiPSs retornam ao eletrodo negativo através do eletrólito, enquanto os elétrons retornam ao eletrodo negativo através de um circuito externo para formar o lítio metálico com os íons de lítio, e os LiPSs são reduzidos a enxofre no eletrodo positivo para completar o processo de carga. processo de carregamento.
O processo de descarga de baterias de lítio-enxofre é principalmente uma reação eletroquímica complexa de várias etapas, vários elétrons e várias fases no cátodo de enxofre, e LiPSs com diferentes comprimentos de cadeia são transformados um no outro durante o processo de carga e descarga.Durante o processo de descarga, a reação que pode ocorrer no eletrodo positivo é mostrada na Figura 2, e a reação no eletrodo negativo é mostrada na Figura 3.
As vantagens das baterias de lítio-enxofre são muito óbvias, como capacidade teórica muito alta;não há oxigênio no material e a reação de evolução do oxigênio não ocorrerá, portanto, o desempenho de segurança é bom;os recursos de enxofre são abundantes e o enxofre elementar é barato;é ambientalmente amigável e tem baixa toxicidade.No entanto, as baterias de lítio-enxofre também apresentam alguns problemas desafiadores, como o efeito de transporte de polissulfeto de lítio;o isolamento de enxofre elementar e seus produtos de descarga;o problema de grandes mudanças de volume;o SEI instável e os problemas de segurança causados pelos ânodos de lítio;fenômeno de autodescarga, etc.
Como uma nova geração de sistema de bateria secundária, baterias de lítio-ar e baterias de lítio-enxofre têm valores teóricos de capacidade específica muito altos e atraíram grande atenção de pesquisadores e do mercado de baterias secundárias.Atualmente, essas duas baterias ainda enfrentam muitos problemas científicos e técnicos.Eles estão no estágio inicial de pesquisa de desenvolvimento de baterias.Além da capacidade específica e estabilidade do material do cátodo da bateria que precisam ser aprimorados, questões importantes como a segurança da bateria também precisam ser resolvidas com urgência.No futuro, esses dois novos tipos de baterias ainda precisam de aprimoramento técnico contínuo para eliminar seus defeitos, a fim de abrir perspectivas de aplicação mais amplas.
Horário de postagem: 07 de abril de 2023