Lithium - Era Daripada Bateri Udara Akan Datang?

- Jul 25, 2017-

Dengan perkembangan sains sosial dan teknologi, keperluan asas rakyat tidak dapat dipisahkan daripada sokongan tenaga. Dari objek kecil seperti telefon bimbit dan komputer riba, kepada cara pengangkutan, telah menjadi sebahagian daripada kehidupan orang yang sangat diperlukan. Minyak mentah dan tenaga tradisional lain walaupun terdapat kapasiti pengeluaran tenaga yang tinggi, tetapi alam sekitarnya tidak mesra (seperti sejumlah besar pelepasan karbon dioksida) dan satu siri kelemahan yang telah menjadi masyarakat hari ini tidak boleh diabaikan. Dan sumber-sumber tenaga baru seperti tenaga suria, tenaga angin, dan lain-lain, walaupun ada potensi besar, tetapi kerana penggunaan persekitaran pada masa itu pergantungan yang kuat, jadi untuk melakukan beberapa keperluan untuk fungsi elektronik yang berterusan (seperti kereta, dll.) masih menjadi cabaran. Oleh itu untuk mencapai sokongan kuasa-kuasa ini akan bergantung kepada peningkatan peralatan storan tenaga elektronik, yang digunakan untuk kawasan yang berbeza, dengan saiz bateri yang berlainan.



Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, saintis telah melakukan banyak penyelidikan mengenai bateri, seperti bateri alkali (seperti bateri Fe / Ni dan bateri Zn / Mn), bateri asid plumbum tradisional, bateri lithium-sulfur, dan banyak perhatian lithium-ion bateri. Berbanding dengan bateri lain, bateri lithium-ion telah disukai oleh orang kerana tenaga yang tinggi daripada tenaga, voltan operasi yang tinggi, hayat kitaran panjang, pelepasan diri yang rendah, memori dan hijau, dan lain-lain, digunakan secara meluas dalam telefon bimbit dan Komputer notebook, dan lain-lain, juga merupakan generasi pilihan kereta hibrid yang boleh dicas semula dan pilihan yang ideal.

Bateri litium-ion menggunakan prinsip kerusi yang serupa seperti kerusi, proses caj dan pelepasan Li + di antara tiang positif dan negatif antara pesawat ulang-alik, dari satu sisi ke sisi lain, kitaran reciprocating, untuk mencapai cas bateri dan proses pelepasan. Sebagai pelbagai penyimpanan elektrokimia dalam sistem bahan dan reka bentuk adalah berbeza, penunjuk teknikal juga berbeza. Pelan pembangunan teknologi industri tenaga baru Jepun (NEDO) Li-EAD merancang untuk menetapkan bateri 2030 ke petunjuk prestasi tinggi 700Wh / kg. Pada masa ini, bateri lithium-ion tidak dapat mencapai matlamat ini, dan perhitungan bateri lithium - udara teori kepadatan tenaga boleh mencapai 12000Wh / Kg, melebihi petunjuk yang dicadangkan NEDO. Sebelum kita menghuraikan bateri litium udara, kita memperkenalkan bateri lithium-ion secara ringkas.

Prinsip bateri lithium-ion

Bateri litium-ion terdiri daripada tiga bahagian: katod (biasanya struktur berlapis litium kobalt oksida dan sebatian litium mangan nikel kobalt, struktur spinel litium manganate, struktur olivin besi fosfat litium), negatif (biasanya Lapisan grafit) dan elektrolit; di mana reaksi redoks berlaku dalam positif dan negatif, elektrolit sebagai medium pengangkutan ion pengangkutan. Khususnya, dalam proses pelepasan, ion litium dalam medan elektrik dalaman melalui larutan elektrolitik ke tiang positif, manakala elektron negatif melarikan diri melalui aliran litar luar kepada positif (reaksi tertentu ialah interkalasi, pelajar yang berminat boleh google [3 ]). Dalam elektronik dari negatif ke proses penghijrahan akan berfungsi, kerja ini digunakan untuk menyokong kerja peralatan elektronik, tenaga. Seperti namanya, proses pengecasan adalah proses sebaliknya proses pelepasan.

Bateri litium ion adalah batasan utama

Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi ion litium, seperti suhu, caj cepat dan pelepasan, keupayaan teori bahan dan kepadatan tenaga. Di mana ketumpatan tenaga dan keupayaan teori adalah dua aspek utama untuk mengehadkan bateri lithium-ion. Di sini kita pertama kali bercakap mengenai konsep penting - kepadatan tenaga (Density Tenaga). Ketumpatan tenaga, juga dikenali sebagai tenaga, tafsiran tertulis merujuk kepada penyimpanan tenaga dalam ruang tertentu atau saiz bahan jisim, titik popular merujuk kepada jumlah unit atau jisim unit yang mengandungi tenaga. Dalam industri bateri, ia sering digunakan untuk membandingkan jumlah kuasa bateri yang disimpan bagi berat unit bateri. Sebagai contoh, ketumpatan tenaga bateri komersial yang sedia ada adalah bateri lithium ion yang agak tinggi, ketumpatan tenaga kira-kira 500Wh / Kg, seperti yang dinyatakan sebelum ini, ketumpatan tenaga ini tidak mencukupi untuk menggantikan petrol (ketumpatan tenaga kira-kira 13 000Wh / Kg) digunakan untuk mencapai kereta Pemancaran tulen.

Tiada kerosakan terhadap ketumpatan tenaga bateri lithium-ion tradisional (0.05-0.1 kwh / Kg), hanya ketumpatan tenaga kenderaan (13 kwh / Kg, Chevrolet Vaughan) kurang daripada 1% Berkenaan dengan tenaga tradisional seperti lithium tidak cekap -bateri bateri mengapa begitu disukai oleh orang-orang dan mengiktirafnya?

Ini adalah dari struktur bateri lithium-ion. Pembaca yang berhati-hati melihat bahawa dalam Rajah 1, gaya angin yang positif dan negatif seolah-olah tidak sama. Seperti tiang negatif adalah beberapa bingkai dan kutub positif adalah beberapa bata biru serpihan, tetapi ini bukan tumpuan, ini hanya pengarang yang mahu mewakili bahan positif dan negatif adalah berbeza. Tetapi tanah bersama mereka adalah ion lithium seperti kacang hijau yang diperintahkan dalam talian yang teratur. Ini adalah kerana ion lithium melalui penghijrahan elektrolit ke proses negatif, dengan beberapa pertemuan ion litium yang telah tiba. Sekiranya tidak ada struktur lamellar, ini pertama kepada ion litium akan membentuk struktur kristal, akademik yang dipanggil dendrit. Kristal ini akan berkembang pesat dan menyambung positif dan negatif, sehingga seluruh bateri dari litar pintas dalaman. Popular seperti yang kita semua harus berhenti, di pintu masuk tidak membiarkan satu sama lain menyebabkan pasukan panjang jem lalu lintas. Walaupun lapisan positif dan negatif struktur dapat menyimpan penyimpanan masa berlainan ini dengan ketibaan fungsi litium ion, seperti ruang letak kereta. Oleh itu, tiang positif dan negatif dengan struktur berlapis yang diperintahkan sangat diperlukan untuk bateri boleh dicas semula (Rajah 2). Tetapi bahan positif dan negatif, dan elektrolit tidak memberikan tenaga dalam proses pelepasan. Oleh itu, menyeret kepadatan tenaga keseluruhan bateri. 1500869980861001393.jpg

Struktur berlapis boleh menyimpan ion lithium untuk mencegah pembentukan dendrit.

Satu lagi faktor utama yang mempengaruhi bateri lithium-ion ialah kapasiti bahan elektrod itu sendiri. Perlu diingat bahawa elektrod positif adalah bahagian penting bateri lithium-ion, dan prestasinya sebahagian besarnya menentukan prestasi terakhir bateri. Banyak bateri lithium-ion Dari kemajuan teknologi utama dan teknologi bahan katod adalah berkaitan erat untuk meningkatkan. Bahan elektrod positif yang diketahui yang boleh dimasukkan ke dalam penggunaan praktikal termasuk lithium cobalt oxide dan sebatian litium kobal-nikel-mangan mempunyai struktur berlapis, litium manganate struktur spinel, fosfat besi lithium struktur olivin.

Walau bagaimanapun, dengan permintaan yang semakin meningkat untuk pasaran kenderaan elektrik global, pembangunan bateri lithium-ion telah menjadi serius terhalang, pembangunan kesesakan ini terutamanya untuk meningkatkan kapasiti pelepasan dan pelepasan bahan katod untuk memenuhi tenaga khusus yang tinggi, caj yang tinggi dan tuntutan kuasa Tuntutan. Kapasiti khusus sebenar bahan elektrod positif yang digunakan adalah antara 120 dan 250 mAh / g, yang masih sangat rendah berbanding dengan bahan anod karbon sedia ada secara komersial hari ini (kapasiti khusus sebenar 330-360 mAh / g) Keupayaan spesifik yang agak rendah / Ketumpatan tenaga adalah keadaan penyelidikan semasa bahan katod, ia menyekat pengembangan bateri lithium-ion adalah faktor utama. Kedua, kos bahan katod juga mempengaruhi pengembangan bateri lithium-ion berkapasiti tinggi adalah salah satu faktor penting. Secara amnya, penyediaan bahan katod memerlukan penggunaan unsur logam peralihan yang jarang (seperti kobalt, nikel, dan lain-lain) dalam kuantiti yang banyak. Di satu pihak, sumber kobalt, nikel dan logam lain dalam rizab Bumi adalah terhad, tidak sesuai untuk perlombongan berskala besar dan penggunaan yang berlebihan (bertentangan dengan strategi pembangunan mampan negara); Sebaliknya, penggunaan elemen logam langka akan mengangkat kos pembuatan bateri, Tidak kondusif untuk mempopulerkan bateri lithium-ion berskala tinggi yang tinggi (contohnya, dalam penyimpanan tenaga dan aplikasi praktikal lain). Di samping itu, penggunaan berat kobalt, nikel, mangan dan logam berat lain di tanah, air dan persekitaran lain mempunyai bahaya yang lebih besar, dan kehidupan manusia dan haiwan dan tumbuhan menimbulkan ancaman serius.

penyelesaian

Walau bagaimanapun, kaedah ini sentiasa lebih daripada masalah, untuk meningkatkan kepadatan tenaga bateri boleh dicas semula, mengurangkan berat bateri telah menjadi satu kejayaan. Walaupun tidak mungkin untuk mencari bahan dengan nisbah tenaga ke massa berbanding lithium logam, kita dapat memberikan bateri pengurangan berat badan dan meningkatkan kepadatan tenaga keseluruhan bateri. Salah satu yang paling mewakili ialah bateri litium - udara. Pengiraan teori bateri litium-udara kepadatan tenaga dapat mencapai 12000Wh / Kg, yang dapat dibandingkan dengan kepadatan tenaga ultra-tinggi petrol, dijangka benar-benar menggantikan petrol, perjalanan panjang nyata dari kenderaan elektrik tulen (Gambar 3).

1500869980643069075.jpg


Apakah bateri lithium - udara?

Ringkasnya, dengan bateri lithium-ion tradisional untuk logam oksida peralihan sebagai bahan katod berbeza dari bateri litium-udara adalah logam litium sebagai elektrod negatif ke oksigen di udara sebagai bateri reaktan elektrod positif. Satu kelebihan logam litium bukan grafit sebagai elektrod negatif ialah litium (3860 mAh · g-1) mempunyai keupayaan khusus hampir 10 kali ganda kapasiti khusus grafit (372 mAh · g-1). Seperti semua bateri, bateri litium udara terdiri daripada tiga komponen asas: positif, negatif, elektrolit, litar luaran yang disambungkan oleh konduksi wayar konduktif, litar dalaman yang disambungkan oleh ion pemindahan elektrolit. Prinsip kerja yang ditunjukkan dalam Rajah 4:


Rajah 4: Rangka prinsip prinsip bateri litium - udara.

Bateri litium diperbuat daripada logam litium sebagai anod, dan elektrod berpori yang terdiri daripada bahan berasaskan karbon adalah positif. Semasa proses pelepasan, litium logam dalam kehilangan elektron negatif ke dalam ion litium, elektron melalui litar luaran untuk mencapai katod berpori, oksigen dalam pengurangan udara, dan ion litium melalui elektrolit untuk mencapai katod berpori, dan oksigen dan elektron untuk membentuk litium peroksida (Li2O2) (Produk utama). Reaksi ini berterusan dan bateri boleh membekalkan tenaga kepada beban. Proses pengecasan adalah sebaliknya, di bawah tindakan voltan pengecasan, produk pelepasan yang dihasilkan dalam proses pelepasan mula teroksida dalam elektrod positif berliang, pelepasan semula oksigen, ion litium dalam elektrod negatif telah dikurangkan menjadi litium logam .

Oleh kerana bahan anoda adalah bahan karbon yang sangat ringan dan oksigen diambil dari persekitaran, berat bateri litium udara bergantung terutamanya pada bahan katod dan elektrolit. Mengurangkan bateri lithium-udara yang dipasang mempunyai kepadatan tenaga yang lebih tinggi berbanding bateri lithium-ion.

Bahan anod bateri litium adalah litium logam, katod dapat melewati bahan berasaskan karbon berliang O2, kita biasanya mengikut elektrolit akan menjadi bateri litium yang berlainan menjadi empat kategori: bateri litium aprotik, sistem air litium - Bateri udara, bateri lithium-udara dicampur dan bateri lithium-ion pepejal.


Rajah 5: empat jenis rajah struktur bateri litium - udara.

Lithium Aprotik - bateri udara:

Bateri lithium-udara aprotik yang tipikal terdiri daripada anod lithium logam, katod bahan berasaskan karbon berliang dengan zarah pemangkin ditambah, dan elektrolit pelarut aprotik yang larut garam litium. Elektrolit aprotik yang biasa digunakan termasuk karbonat organik, eter, ester, pelarut garam litium dan sejenisnya. Elektrolit Aprotic adalah elektrolit yang paling banyak digunakan, kelebihan keterlarutan oksigen yang tinggi, kakisan kecil litium, struktur bateri mudah, beroperasi, kelemahan adalah bahawa produk pelepasan adalah pepejal, mudah untuk menyekat katod udara, dan lithium oksida sahaja Li2O2 Boleh dipecahkan dalam proses pengecasan, prestasi kitaran bateri kurang baik.

Sistem air litium - bateri udara:

Sistem air Lithium-air bateri terdiri daripada anod logam lithium, elektrolit air dan katod karbon berliang. Air dan elektrolit menggabungkan garam litium yang dibubarkan dalam air. Ia mengelakkan masalah penyumbatan katod kerana produk tindak balas adalah larut dalam air. Berbanding dengan pelarut aprotik, reka bentuk air mempunyai potensi pelepasan yang tinggi. Walau bagaimanapun, logam litium bertindak balas dengan ganas dengan air, jadi reka bentuk air memerlukan antara muka elektrolit pepejal antara litium dan elektrolit.

Sistem campuran litium - bateri udara:

Sistem air - bateri lithium-udara aprotik atau bateri lithium-udara bercampur sistem, percubaan reka bentuknya untuk menggabungkan kelebihan reka bentuk bateri sistem bukan proton dan air. Ciri umum reka bentuk hibrid adalah dua bahagian yang disambungkan oleh filem litium konduktif (sebahagiannya adalah air dan sebahagiannya adalah aprotik). Apabila katod bersentuhan dengan permukaan air, anod bersebelahan dengan akhir aprotik. Seramik konduktif litium biasanya digunakan sebagai filem untuk menyambungkan dua elektrolit.

Litium pepejal - bateri udara:

Bateri litium pepejal semasa menggunakan litium sebagai elektrod negatif, seramik, kaca atau seramik kaca sebagai elektrolit, dan karbon berliang sebagai elektrod positif. Anod dan katod biasanya dipisahkan dari komposit polimer-seramik, menguatkan pemindahan caj pada anod, dan menggabungkan katod dengan elektrolit. Komposit seramik polimer mengurangkan impedans keseluruhan. Reka bentuk bateri keadaan pepejal meningkatkan keselamatan dan menghilangkan kemungkinan pecah pencucuhan, tetapi kelemahannya ialah kebanyakan elektrolit kaca seramik mempunyai kekonduksian yang rendah.

Kelebihan dan kecacatan bateri lithium-udara?

Bateri litium - udara digunakan untuk bidang konsep automotif, seawal tahun 1970 telah dikemukakan, tetapi pada masa pengembangan teknologi bahan, belum menjadi kajian yang mendalam belum mencapai aplikasi komersil. Dengan perkembangan industri kenderaan elektrik dan menaik taraf sains dan teknologi bahan, bateri lithium - udara telah mula menarik perhatian, salah satu sebabnya adalah tenaga teori yang tinggi. Litium dan oksigen (udara) dalam nisbah, secara teorinya boleh membuat bateri elektrokimia mempunyai tenaga yang paling tinggi. Sebenarnya, tenaga teori bateri lithium-ion yang tidak berasas adalah kira-kira 12kWh / Kg, yang setara dengan tenaga petrol teori (13kWh / Kg), jauh lebih tinggi daripada bateri udara zink, bateri lithium-ion, bateri lithium-sulfur ( Rajah 3). Dalam praktiknya, setiap bateri litium udara mempunyai tenaga spesifik sebanyak 1.7 kWh / kg, yang lima kali lebih besar daripada bateri lithium-ion komersil, cukup untuk menjalankan kenderaan elektrik semua-elektrik (FEV) 2 ton, hanya menggunakan 60 kg bateri boleh bergerak sejauh 500 km.

Satu lagi kelebihan penting bateri litium-udara ialah bahan aktif elektrod positif adalah langsung dari udara di sekitarnya dan oleh itu tidak habis-habis untuk kegunaan tidak habis-habis dan tidak perlu disimpan di dalam bateri, dengan itu mengurangkan kos dan mengurangkan berat badan bateri, ketumpatan tenaga bateri bergantung sepenuhnya pada sisi litium logam. Dan dalam cas bateri dan menunaikan keseluruhan proses, tidak akan menghasilkan bahan-bahan yang berbahaya kepada alam, benar-benar sifar pencemaran proses hijau.

Walau bagaimanapun, pembaca berhati-hati harus mengambil perhatian bahawa dalam "bateri" (logam) litium-udara (oksigen) "persekitaran kerja, fungsi sebenar peranan oksigen di udara. Oleh itu, tidak sebaik nama, bateri lithium - udara di persekitaran kerja atau mempunyai beberapa keperluan. Oleh itu, terdapat banyak masalah dengan bateri lithium-udara yang belum diselesaikan: kesan H2O dan CO2 di atmosfera terhadap kesan sampingan, pelepasan produk pelepasan menyebabkan penyumbatan litar udara, pelepasan besar masalah pemangkin yang disebabkan oleh overvoltage, dan elektrod udara Karbon yang berasaskan kakisan cecair. Lebih banyak penyelidikan menunjukkan bahawa atmosfera nitrogen juga tidak bersedia untuk mengambil bahagian dalam tindak balas ini. 1500869981002075765.jpg

Pada masa yang sama, perencatan reaksi pemendakan Li2O2 secara langsung berkaitan dengan kapasiti pelepasan bateri. Satu lagi masalah dengan penipisan Li2O2 adalah bahawa voltan overvoltage besar pada masa pengecasan, yang bukan sahaja mempengaruhi kecekapan penukaran tenaga, tetapi juga menyebabkan pengoksidaan masalah Li2O2.

Ion litium dan keadaan hidup bersama oksigen, potensi bahan karbon meningkat, pembentukan litium karbonat, voltan terlalu tinggi boleh mengakibatkan penguraian elektrolit, jadi elektrod udara mempunyai pelbagai perbincangan. Secara amnya percaya bahawa struktur, komposisi dan aktiviti pemangkin katoda bateri litium udara mempunyai kesan penting ke atas kapasiti khusus dan prestasi kitaran bateri. Sebagai contoh, Bruce et al. Dilaporkan bahawa nanowires α-MnO2 dikompaun dengan karbon, Reversible.

masa depan 1500869981095094233.jpg

Dengan kekurangan tenaga yang semakin meningkat seperti minyak dan arang batu dan peningkatan pencemaran alam sekitar, adalah mustahak untuk membangunkan tenaga bersih yang cekap, dan prestasi teoretikal litium udara litium yang unggul pasti akan menjadikan tumpuan penyelidikan saintifik dan aplikasi komersil. Pada masa ini, pelbagai jenis bateri litium-udara mempunyai kelebihan dan kelemahan masing-masing, sama ada disebabkan oleh penyejatan elektrolit fasa cecair atau prestasi pemangkinan konduktor konduktor karbon berliang dan mempengaruhi prestasi bateri, bateri lithium-hawa ingin mencapai aplikasi komersil , Kedudukan pasaran yang kompetitif, mesti menyelesaikan kehidupan kitaran, kecekapan tenaga, membran penapisan udara, perlindungan litium logam dan isu-isu utama yang lain. Kawasan berkaitan pekerja penyelidikan saintifik juga sentiasa berusaha untuk bersama-sama mempromosikan bateri lithium - udara untuk mencapai aplikasi praktikal. Berbanding dengan bateri udara logam tradisional, bateri lithium - udara mempunyai saiz yang lebih kecil, berat lebih ringan, voltan operasi yang lebih tinggi, ciri tenaga khusus yang lebih tinggi, dan dengan demikian dalam bidang tentera, medan, kenderaan elektrik, air dan bidang lain Memiliki prospek permohonan yang luas.

1500869981220021764.jpg