Baterías de aire de litio y baterías de azufre de litio

Noticias de la red de almacenamiento de energía de China: el enfoque actual de la investigación de baterías de iones de litio se centra principalmente en las baterías de aire de litio y las baterías de azufre de litio, ambas se consideran las que tienen mayor potencial para el desarrollo de una batería de litio de nueva generación. Ellos en lugar del material del cátodo de la batería de iones de litio en la estructura y el mecanismo de reacción tienen una gran distinción.

1. Baterías de aire de litio

Las baterías de aire de litio son una de las baterías de aire de metal, debido al uso del metal de litio de menor peso molecular como material activo, su energía específica teórica es muy alta.No calcule la calidad del oxígeno de 11140 wh / kg, de hecho el La densidad de energía disponible también puede alcanzar los 1700 wh / kg, mucho más alta que la de otros sistemas de batería. La estructura básica y el mecanismo de funcionamiento de las baterías de aire de litio se muestran en la figura siguiente.


Las baterías de aire de litio mediante el uso del estado del electrolito es diferente, la principal se puede dividir en sistema de agua, sistema orgánico, sistema híbrido de agua - orgánico y baterías de aire de litio de estado sólido.En el sistema orgánico, las baterías de aire de litio funcionan, material interno O2 a través del electrodo de aire poroso en la batería, la superficie del electrodo es catalítica en O2 - o O22 - y luego se combina con Li + en el electrolito, peróxido de generación de litio (Li2O2) u óxido de litio (Li2O), deposición del producto en la superficie del electrodo de aire. Cuando todo el aire en el orificio del electrodo de aire está bloqueado por el producto después de la descarga de la batería, la reacción del electrodo se muestra a continuación:

Lo positivo: O2 + e - li + 2 + 2? Li2O2; O2 + 4 e - + 4 li +? 2 li2o

Negativo: Li? Li ++ e -

La respuesta total: 2 li + O2? Li2O2 (2,96 V); 4 li + O2? 2 li2o (2,91 V)

Las baterías de aire de litio tienen una densidad de energía ultra alta incomparable, respetuosas con el medio ambiente y el precio es bajo, espere una ventaja, pero su investigación es la etapa principal, por lo que muchos problemas espinosos incluyen principalmente:

(1) la reacción positiva requiere un catalizador.El proceso de descarga, en ausencia de la presencia de catalizador y la reducción de oxígeno es lento; La plataforma en el proceso de carga de voltaje es de 4 vo más, fácil de causar la descomposición del electrolito y efectos secundarios. Necesita usar el catalizador apropiado para ayudar a la reacción celular.

(2) las baterías de aire de litio son un sistema abierto, pueden causar como volatilización de electrolitos, oxígeno líquido electrolítico y humedad en el aire y CO2 reaccionan con litio metálico y así sucesivamente una serie de problemas fatales.

(3) El problema de congestión del canal del electrodo de aire. La descarga generada no se disuelve en el electrolito Li2O y Li2O2 se acumulará en el electrodo de aire, bloqueando el canal de aire, en la desactivación del electrodo de aire, final de descarga.

En resumen, la batería de litio tiene muchos problemas que resolver en el aire: incluida la reacción de reducción de oxígeno de la catálisis, el electrodo de oxígeno hidrofóbico a través del aire, la desactivación del electrodo de aire. todavía tiene un largo camino por recorrer.

2. Baterías de litio y azufre

La investigación de baterías de litio se originó en la década de 1970, pero la capacidad real de las baterías de azufre de litio no ha sido alta, atenuación severa, no se ha tomado en serio. 2009, LindaF. El grupo de Nazar informó que los compuestos de azufre y carbono como material de cátodo de batería de litio para una mejor circulación y alta capacidad de descarga, generaron una ola de investigación de baterías de litio.Las baterías de azufre de litio se utilizan principalmente en azufre elemental o Harvard para materiales de cátodo de batería, uso principal de ánodo de litio metálico , su estructura de batería como se muestra.


Con los materiales del ánodo para azufre elemental (principalmente la forma de anillo S8), su capacidad específica teórica es 1675 mah / g, voltaje de descarga teórico de 2.287 V, densidad de energía teórica es 2600 wh / kg. Al cargar y descargar, se muestra la reacción del electrodo debajo:

El positivo: el S8 (s) + e - li + 2 + 2? Li2S8;

Li2S8 + 2e- + 2Li +? 2Li2S4 ；

Li2S4 + 2e- + 2Li +? 2Li2S2 (s) ；

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

Negativo: Li? Li ++ e -

Reacción total: el S8 e - (s) + 16 + 16 li +? 8 li2s (s)

Baterías de litio y azufre, la reacción de los materiales del ánodo es de más de un electrón, reacción de varios pasos paso a paso, como se muestra.


El proceso de descarga de azufre, por ejemplo, simple se puede dividir en dos etapas, en primer lugar, azufre elemental sólido S8 Li2S8 con Li + líquido, con la profundización del grado de descarga será después de que el Li2S6 soluble eventualmente genere Li2S4 soluble, correspondiente a la Voltaje de plataforma de 2.4 V a 2.1 V, el proceso con la formación de material líquido, velocidad de reacción más rápida.Luego, con una descarga adicional, a una plataforma de voltaje de 2.1 V, Li2S4 soluble en fase sólida insoluble Li2S2, y eventualmente para generar productos finales de sólidos -fase Li2S, debido al inicio sólido que se genera en esta etapa, hace que la difusión de iones sea lenta, por lo que la velocidad de reacción es más lenta.A diferencia del material tradicional de las baterías de iones de litio, carga de la batería de litio y descarga de azufre elemental y sulfuro de azufre intermedio después polisulfuro de litio Li2Sx (x = 2-8) y no por iones de litio en el material del ánodo y los materiales del ánodo para incrustar e incrustar hacia adelante y hacia atrás entre la carga y la descarga, por lo tanto, li El rendimiento de la batería de tio-azufre se ve afectado por el material del electrodo positivo de iones de litio para eliminar la capacidad integrada.

Las ventajas de las baterías de azufre de litio son muy obvias: tiene una capacidad teórica muy alta; Sin oxígeno, el material no producirá una reacción de evolución de oxígeno, por lo que es una buena seguridad; Los recursos de azufre y el precio del azufre elemental son muy bajos; Respetuoso con el medio ambiente, baja toxicidad. Pero La aplicación real de las baterías de azufre de litio se enfrenta a algunos problemas, que incluyen principalmente:

Deficiente: (1) la conductividad y las moléculas de azufre de litio guía en el azufre elemental en 8 S están unidas para formar S8 coronario, pertenece al electrón típico, aisladores de iones, la conductividad a temperatura ambiente es de solo 5 x 10 a 30 S / cm .Producto y Li2S2 y Li2S también son aislantes eléctricos.Y la utilización de material activo no es alta, la tasa de rendimiento deficiente.En la actualidad principalmente a través de la preparación de material compuesto de carbono de azufre de tamaño pequeño para resolver la conductividad eléctrica de las baterías de azufre de litio materiales del ánodo de la batería y problemas sexuales con litio.

Efecto lanzadera: (2) polisulfuro de azufre de litio en el proceso de carga y descarga de la batería de litio, la cadena larga de polisulfuro de litio Li2Sx (4 "x 8) o menos se disolverá en el electrolito, a través del diafragma, logrará la reducción del cátodo y Polisulfuro de litio de cadena corta Li2Sx (<2 x 4 o menos), y Li2S2 no soluble, Li2S, corrosión del cátodo. El polisulfuro de litio soluble también puede volver al ánodo a través del diafragma, desplazándose de un lado a otro del fenómeno conocido como lanzadera. efecto del polisulfuro de litio, como se muestra. Este efecto causará la autodescarga del material activo de las baterías de litio y azufre, causando que la eficiencia del culombio del material no sea alta.


(3) el problema de la expansión de volumen: cuando está completamente cargado en sulfuro de litio, el azufre 76% de expansión del volumen, fácil de causar que la estructura de los materiales del ánodo se destruya, influye en la estabilidad del material activo, causa atenuación de la capacidad.

(4) ánodo de metal de litio: debido a que el azufre en sí no contiene átomos de litio, debe usar elemental de metal de litio como materiales de ánodo, pero inevitablemente produce un problema de dendrita de litio que trae problemas ocultos seguros.

Aunque las baterías de litio azufre aún existen algunos problemas, en los últimos años, con la profundización de la investigación sobre baterías de litio azufre, el tamaño de partícula por reducción de azufre, materiales de azufre para recubrimiento, preparación de materiales compuestos de litio azufre carbono, para absorción de polisulfuro, mejoran una variedad de medidas, como el electrolito para mejorar la capacidad de los materiales de azufre y la circularidad, ha avanzado mucho.

En los últimos treinta años, la electricidad de litioPool ha experimentado un rápido desarrollo, que representado por el sistema de batería de iones de litio de la batería secundaria se ha convertido en la fuente de energía de varios equipos electrónicos portátiles pequeños, los productos electrónicos han sido fuertemente promovidos por el desarrollo de teléfonos inteligentes, tabletas, cámaras digitales, computadoras portátiles y otros dispositivos portátiles para difundir ampliamente.Con el desarrollo continuo de la sociedad, la batería secundaria en la creciente demanda de grandes equipos eléctricos, pero dada una teoría del material del ánodo en el valor límite de la batería de iones de litio es bajo, en la potencia Sistema de suministro de grandes equipos eléctricos limitado.La batería de litio y el sistema de aire de la batería de litio, ya que una nueva generación de batería secundaria tiene un valor de capacidad específica teórica muy alta, obtienen la atención de los investigadores y del mercado de baterías secundarias, sin embargo, las baterías de aire de litio actuales y La investigación sobre baterías de litio aún se encuentra en la etapa de desarrollo, además de la ca específica pacity de los materiales del cátodo de la batería y la necesidad de mejorar aún más la estabilidad, los problemas críticos de seguridad, como las baterías, deben resolverse.Para comprender el principio de funcionamiento del material del cátodo de la batería de litio, que es útil para comprender el núcleo de este tipo de problemas de investigación de la batería, dominar el desarrollo del material del cátodo de la batería.

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