Lithium - Die Ära der Luftbatterien wird kommen?

- Jul 25, 2017-

Mit der Entwicklung der Sozialwissenschaft und -technologie sind die Grundbedürfnisse der Menschen untrennbar mit der Unterstützung durch Energie verbunden. Von kleinen Gegenständen wie Mobiltelefonen und Laptops bis zu den Transportmitteln ist ein unverzichtbarer Teil des Lebens geworden. Rohöl und andere traditionelle Energie, obwohl es eine hohe Energieausbeute Kapazität, aber seine Umwelt unfreundlich (wie eine große Anzahl von Kohlendioxid-Emissionen) und eine Reihe von Unzulänglichkeiten haben die heutige Gesellschaft geworden kann nicht ignoriert werden. Und neue Energiequellen wie Solarenergie, Windenergie, etc., obwohl es ein enormes Potenzial, aber wegen seiner Nutzung der Umwelt zu dieser Zeit eine starke Abhängigkeit, so etwas von der Notwendigkeit für die kontinuierliche Funktion von elektronischen Geräten zu tun (wie Autos, etc.) ist immer noch eine Herausforderung. Die Unterstützung dieser Kräfte zu erreichen, wird von der Verbesserung der elektronischen Energiespeicherausrüstung abhängen, die auf verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Größen der Batterie angewendet wird.



In den letzten Jahren haben Wissenschaftler eine Menge Forschung über Batterien, wie Alkaline-Batterien (wie Fe / Ni-Batterien und Zn / Mn-Batterien), die traditionellen Blei-Säure-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien und viel Aufmerksamkeit Lithium-Ionen Batterie. Im Vergleich zu anderen Batterien, Lithium-Ionen-Akku wurde von Menschen wegen seiner hohen Energie als die Energie, hohe Betriebsspannung, lange Lebensdauer des Zyklus, geringe Selbstentladung, kein Gedächtnis und Grün usw., weit verbreitet in Handys und Notebook-Computer usw. ist auch die nächste Generation von wiederaufladbaren Hybrid- und Elektroautos.

Lithium-Ionen-Akku mit einem ähnlichen Schaukelstuhl-ähnlichen Arbeitsprinzip, Lade-und Entlade-Prozess Li + zwischen dem positiven und negativen Pol hin und her zwischen dem Shuttle, von einer Seite zur anderen Seite, hin und her-Zyklus, um die Batterieladung zu erreichen und Entladevorgang. Da eine Vielzahl von elektrochemischen Speichern im Materialsystem und Design unterschiedlich ist, sind auch technische Indikatoren unterschiedlich. Japans neue Energietechnologie-Entwicklungsagentur (NEDO) Li-EAD plant, die 2030-Batterie auf 700 Wh / kg Hochleistungsindikatoren einzustellen. Derzeit kann Lithium-Ionen-Batterie dieses Ziel nicht erreichen, und die theoretische Berechnung der Energiedichte der Lithium-Luft-Batterie kann 12000 Wh / kg erreichen und damit die von NEDO vorgeschlagenen Indikatoren übertreffen. Bevor wir auf die Lithium-Luft-Batterie eingehen, stellen wir kurz die Lithium-Ionen-Batterie vor.

Das Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus drei Teilen: der Kathode (üblicherweise die Schichtstruktur von Lithium-Kobalt-Oxid und Kobalt-Nickel-Mangan-Lithium-Verbindungen, Spinellstruktur von Lithiummanganat, Olivinstruktur von Lithiumeisenphosphat), Negativ (üblicherweise Graphitschicht) und Elektrolyt; bei dem die Redoxreaktion im positiven und negativen Fall auftritt, ist der Elektrolyt ein Transportionentransportmedium. Insbesondere im Entladungsprozess, das Lithium-Ionen im internen elektrischen Feld durch die Elektrolytlösung zum positiven Pol, während die negativen Elektronen durch den externen Stromkreis fließen zum positiven fließt (spezifische Reaktion ist Interkalation, können interessierte Studenten googeln [3] ]). In der Elektronik von der negativen zum Prozess der Migration wird arbeiten, wird diese Arbeit verwendet, um die Arbeit von elektronischen Geräten, die Energie zu unterstützen. Wie der Name schon sagt, ist der Ladevorgang der umgekehrte Prozess des Entladeprozesses.

Lithium-Ionen-Batterie ist die Haupteinschränkung

Es gibt viele Faktoren, die Lithiumionen beeinflussen, wie Temperatur, schnelles Laden und Entladen, die theoretische Kapazität des Materials und die Energiedichte. Wo Energiedichte und theoretische Kapazität zwei Hauptaspekte bei der Begrenzung von Lithium-Ionen-Batterien sind. Hier sprechen wir zuerst über ein wichtiges Konzept - Energiedichte (Energiedichte). Energiedichte, auch als Energie bezeichnet, bezieht sich auf die Speicherung von Energie in einem bestimmten Raum oder Masse Material Größe, beliebte Punkt bezieht sich auf das Volumen der Einheit oder Einheit enthält die Energie. In der Batterieindustrie wird es häufig verwendet, um die Menge der Batterieleistung zu vergleichen, die pro Gewichtseinheit der Batterie gespeichert ist. Zum Beispiel ist die Energiedichte der bestehenden kommerziellen Batterie relativ hoch Lithium-Ionen-Batterie, die Energiedichte von etwa 500Wh / Kg, wie bereits erwähnt, diese Energiedichte ist nicht genug, um Benzin zu ersetzen (Energiedichte von etwa 13 000Wh / Kg) verwendet, um das Auto Pure Electricization zu erreichen.

Es gibt keinen Schaden an der traditionellen Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterie (0,05-0,1 kwh / Kg), nur die Energiedichte des Fahrzeugs (13 kwh / Kg, Chevrolet Vaughan) ist kleiner als 1%. Bezogen auf die traditionelle Energie wie ineffizientes Lithium. -ion ​​Batterie warum so beliebt von Menschen und erkannte es?

Dies ist von der Lithium-Ionen-Batteriestruktur. Sorgfältige Leser haben bemerkt, dass in Abbildung 1 der positive und negative Stil des Windes nicht derselbe ist. Wie der negative Pol ist ein Teil des Rahmens und der positive Pol ist einige blaue Blaustein, aber diese sind nicht der Fokus, das ist nur der Autor will die positiven und negativen Materialien darstellen sind unterschiedlich. Ihr gemeinsamer Grund ist jedoch, dass die mungobohnenartigen Lithiumionen in geordneter Linie angeordnet sind. Dies liegt daran, dass Lithiumionen durch den Elektrolyten in den negativen Prozess migrieren, mit einem Teil der zuvor angekommenen Lithiumionen-Konfluenz. Wenn es keine lamellare Struktur gibt, werden diese zuerst zu den Lithiumionen eine Kristallstruktur bilden, akademisch genannt Dendriten. Diese Kristalle werden schnell wachsen und die positiven und negativen verbinden, so dass die gesamte Batterie vom internen Kurzschluss verschwindet. Beliebte wie wir alle aufhören müssen, am Eingang lassen Sie einander nicht die Stau lange Mannschaft verursachen. Während die positiven und negativen Schichten der Struktur in der Lage sind, diese verschiedenen Zeiten der Ankunft der Lithiumionenfunktion, wie Parkplätzen, geordnet zu speichern. So sind die positiven und negativen Pole mit einer geordneten geschichteten Struktur für wiederaufladbare Batterien unverzichtbar (Abbildung 2). Aber die positiven und negativen Materialien, und der Elektrolyt gibt keine Energie im Entladeprozess. Somit wird die Gesamtenergiedichte der Batterie nach unten gezogen. 1500869980861001393.jpg

Die geschichtete Struktur kann Lithiumionen speichern, um die Bildung von Dendriten zu verhindern.

Ein weiterer Hauptfaktor, der die Lithium-Ionen-Batterie beeinflusst, ist die Kapazität des Elektrodenmaterials selbst. Es ist erwähnenswert, dass die positive Elektrode ein wichtiger Teil der Lithium-Ionen-Batterie ist, und ihre Leistung bestimmt weitgehend die endgültige Leistung der Batterie. Viele Lithium-Ionen-Batterien sind von dem großen technologischen Fortschritt und der Kathodenmaterial-Technologie eng verwandt zu verbessern. Die bekannten positiven Elektrodenmaterialien, die in der Praxis verwendet werden können, umfassen Lithiumcobaltoxid und Kobalt-Nickel-Mangan-Lithium-Verbindungen mit einer geschichteten Struktur, Lithiummanganat der Spinellstruktur, Lithiumeisenphosphat mit Olivinstruktur.

Mit der wachsenden Nachfrage nach dem globalen Elektrofahrzeugmarkt wurde jedoch die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie ernsthaft behindert. Die Entwicklung des Engpasses besteht hauptsächlich darin, die Lade- und Entladekapazität des Kathodenmaterials zu erhöhen, um die hohe spezifische Energie zu erfüllen. hohe Lade- und Entladeleistung Anspruch. Die tatsächliche spezifische Kapazität des verwendeten positiven Elektrodenmaterials liegt zwischen 120 und 250 mAh / g, was im Vergleich zu dem heute kommerziell erhältlichen Kohlenstoffanodenmaterial immer noch sehr gering ist (tatsächliche spezifische Kapazität von 330-360 mAh / g). Die relativ geringe spezifische Kapazität / Energiedichte ist die aktuelle Forschungssituation von Kathodenmaterialien, ist es die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterie ist der primäre Faktor beschränkt. Zweitens sind die Kosten von Kathodenmaterialien auch die Entwicklung von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterie ist einer der wichtigsten Faktoren. Im allgemeinen erfordert die Herstellung des Kathodenmaterials die Verwendung von seltenen Übergangsmetallelementen (wie Kobalt, Nickel usw.) in großen Mengen. Einerseits sind die Ressourcen an Kobalt, Nickel und anderen Metallen in den Reserven der Erde begrenzt, nicht geeignet für den großflächigen Abbau und den übermäßigen Verbrauch (im Gegensatz zur nationalen Strategie für nachhaltige Entwicklung); Andererseits wird die Verwendung von seltenen Metallelementen die Batterie Herstellungskosten erhöhen, ist nicht förderlich für die Zukunft Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterie große Verbreitung (zum Beispiel im Bereich der Energiespeicherung und andere praktische Anwendungen). Darüber hinaus ist der starke Einsatz von Kobalt, Nickel, Mangan und anderen Schwermetallen auf dem Boden, im Wasser und in anderen Umgebungen stärker schädlich, und das Leben von Menschen, Tieren und Pflanzen stellt eine ernste Bedrohung dar.

Lösung

Das Verfahren ist jedoch immer mehr als das Problem, um die Energiedichte von wiederaufladbaren Batterien weiter zu verbessern, ist das Gewicht der Batterie zu einem Durchbruch geworden. Obwohl es nicht möglich ist, ein Material mit einem höheren Energie-zu-Masse-Verhältnis als Metalllithium zu finden, können wir die Batterie gewichtsreduzierend machen und die Gesamtenergiedichte der Batterie verbessern. Eine der repräsentativsten ist die Lithium-Luft-Batterie. Lithium-Luft-Batterie theoretische Berechnung der Energiedichte kann 12000Wh / Kg erreichen, das ist vergleichbar mit der ultrahohen Energiedichte von Benzin, es wird erwartet, dass Benzin vollständig ersetzen, die echte lange Reise von reinen Elektrofahrzeugen (Abbildung 3).

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Was ist Lithium-Luft-Batterie?

Einfach gesagt, mit der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie, um Metalloxid als ein Kathodenmaterial zu übergehen, ist von der Lithium-Luft-Batterie ein Lithiummetall als eine negative Elektrode zu dem Sauerstoff in der Luft als eine Positivelektroden-Reaktantenbatterie verschieden. Ein Vorteil von metallischem Lithium anstelle von Graphit als negative Elektrode besteht darin, dass Lithium (3860 mAh · g-1) eine spezifische Kapazität von fast dem 10fachen der spezifischen Kapazität von Graphit (372 mAh · g-1) hat. Wie alle Batterien bestehen Lithium-Luft-Batterien aus drei Grundkomponenten: positiv, negativ, Elektrolyt, externer Stromkreis, der durch die Leitung des leitenden Drahtes verbunden ist, der interne Stromkreis, der durch die Elektrolytübertragungsionen verbunden ist. Ihr Arbeitsprinzip ist in Abbildung 4 dargestellt:


Abbildung 4: Funktionsdiagramm der Lithium - Luft - Batterie.

Lithium-Luft-Batterien bestehen aus Lithiummetall als Anode, und die aus Kohlenstoffmaterialien bestehende poröse Elektrode ist positiv. Während des Entladungsprozesses, das Metall Lithium in den negativen Verlust von Elektronen in Lithium-Ionen, Elektronen durch den externen Stromkreis, um die poröse Kathode, den Sauerstoff in der Luft-Reduktion zu erreichen, und Lithium-Ionen durch den Elektrolyten, um die poröse Kathode zu erreichen, und Sauerstoff und Elektronen zur Bildung von Lithiumperoxid (Li2O2) (Hauptprodukt). Diese Reaktion wird fortgesetzt und die Batterie kann Energie an die Last liefern. Der Ladevorgang ist genau umgekehrt, unter der Wirkung der Ladespannung wird das Entladungsprodukt, das in dem Entladungsprozess erzeugt wird, zuerst in der porösen positiven Elektrode oxidiert, die erneute Freisetzung von Sauerstoff, Lithiumionen in der negativen Elektrode wurde zu metallischem Lithium reduziert. ..

Da das Anodenmaterial ein sehr leicht poröses Kohlenstoffmaterial ist und Sauerstoff aus der Umgebung entnommen wird, hängt das Gewicht der Lithium-Luft-Batterie in erster Linie von dem Kathodenmaterial und dem Elektrolyten ab. Die angeschlossene Lithium-Luft-Batterie hat im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte.

Lithium-Luft-Batterie Anodenmaterial ist Lithium-Metall, die Kathode ist in der Lage, durch die O2 porösen Kohlenstoff-basierte Materialien passieren, werden wir in der Regel nach dem Elektrolyt unterschiedliche Lithium-Batterie in vier Kategorien sein: aprotische Lithium - Luft-Batterie, Wasser-System Lithium - Luft Batterien, gemischte Lithium-Luft-Batterien und Lithium-Ionen-Festkörperbatterien.


Abbildung 5: vier Typen von Lithium - Luft - Batteriestrukturen.

Aprotische Lithium-Luft-Batterie:

Eine typische aprotische Lithium-Luft-Batterie besteht aus einer metallischen Lithiumanode, einer Kathode aus einem porösen Material auf Kohlenstoffbasis mit zugesetzten Katalysatorteilchen und einem aprotischen Lösungsmittelelektrolyten, der Lithiumsalze auflöst. Üblicherweise verwendete aprotische Elektrolyte umfassen organische Carbonate, Ether, Ester, Lithiumsalzlösungsmittel und dergleichen. Aprotische Elektrolyt ist der am häufigsten verwendete Elektrolyt, die Vorteile der hohen Sauerstoff-Löslichkeit, geringe Korrosion von Lithium, die Batterie-Struktur ist einfach, bedienbar, der Nachteil ist, dass das Entladungsprodukt solide ist, einfach die Luftkathode und nur Lithiumoxid zu blockieren Li2O2 Kann während des Ladevorgangs beschädigt werden, die Batteriezyklusleistung ist schlecht.

Wassersystem Lithium - Luft - Batterie:

Wassersystem Die Lithium-Luft-Batterie besteht aus einer Lithium-Metall-Anode, einem Wasserelektrolyten und einer porösen Kohlenstoffkathode. Das Wasser und der Elektrolyt vereinigen Lithiumsalze, die in Wasser gelöst sind. Es vermeidet das Problem der Kathodenverstopfung, da das Reaktionsprodukt wasserlöslich ist. Im Vergleich zu aprotischen Lösungsmitteln hat das Wasserdesign ein hohes praktisches Entladungspotential. Lithiummetall reagiert jedoch heftig mit Wasser, so dass das Wasserdesign eine feste Elektrolytgrenzfläche zwischen Lithium und dem Elektrolyten erfordert.

Mischsystem Lithium - Luft - Batterie:

Wassersystem - eine aprotische Lithium-Luft-Batterie oder eine Mischsystem-Lithium-Luft-Batterie, deren Design versucht, die Vorteile von Nicht-Protonen- und Wassersystembatteriedesign zu kombinieren. Das gemeinsame Merkmal des Hybriddesigns ist ein zweiteiliger, durch einen Lithium-Leitfilm verbundener Teil (ein Teil davon ist Wasser und ein Teil ist aprotisch). Wenn die Kathode in Kontakt mit der Wasseroberfläche ist, grenzt die Anode an das aprotische Ende an. Lithium-leitende Keramiken werden üblicherweise als Folien zum Verbinden von zwei Elektrolyten verwendet.

Solide Lithium-Luft-Batterie:

Derzeitige feste Lithium-Luft-Batterien verwenden Lithium als negative Elektrode, Keramik, Glas oder Glaskeramik als Elektrolyt und porösen Kohlenstoff als positive Elektrode. Die Anode und die Kathode sind gewöhnlich von dem Polymer-Keramik-Verbundstoff getrennt, was die Ladungsübertragung an der Anode verstärkt und die Kathode mit dem Elektrolyten kombiniert. Der Polymerkeramikverbund reduziert die Gesamtimpedanz. Festkörperbatterie-Design erhöht die Sicherheit und eliminiert die Möglichkeit von Zündungsbruch, aber der Nachteil ist, dass die meisten Glaskeramik-Elektrolyten eine geringe Leitfähigkeit haben.

Lithium-Luft-Batterie Vorteile und Defekte?

Lithium - Luft - Batterie auf dem Gebiet der Automobil - Konzept, bereits im Jahr 1970 wurde vorgeschlagen, aber bis zur Zeit der Materialtechnologie Entwicklungsgrenze, wurde nicht eingehende Untersuchung, hat noch keine kommerziellen Anwendungen erreicht. Mit der Entwicklung der Elektrofahrzeugindustrie und der Verbesserung der Materialwissenschaften und - technik hat die Lithium - Luft - Batterie begonnen, Aufmerksamkeit zu erregen, einer der Gründe dafür ist ihre hohe theoretische Energie. Lithium und Sauerstoff (Luft) im Verhältnis, theoretisch kann die elektrochemische Batterie die höchste Energie haben. In der Tat beträgt die theoretische Energie nichtwässriger Lithium-Ionen-Batterien etwa 12 kWh / kg, was der theoretischen Energie von Benzin (13 kWh / kg) entspricht, viel höher als bei Zink-Luft-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien ( Figur 3 ). In der Praxis hat jede Lithium-Luft-Batterie eine spezifische Energie von 1,7 kWh / kg, was fünfmal größer ist als bei einer handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterie, die ausreicht, um ein 2-Tonnen-Elektrofahrzeug (FEV) zu betreiben. Batterie kann 500 km zurücklegen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil von Lithium-Luft-Batterien besteht darin, dass das aktive Material der positiven Elektrode direkt von der umgebenden Luft stammt und daher für unerschöpfliche Verwendung unerschöpflich ist und nicht in der Batterie gelagert werden muss, wodurch Kosten reduziert und das Gewicht der Batterie verringert wird. Batterie, die Energiedichte der Batterie hängt ganz von der Metall-Lithium-Seite ab. Und in der Batterieladung und -entladung der gesamte Prozess, produziert nicht umweltschädliche Substanzen, ist völlig null Verunreinigung des grünen Prozesses.

Allerdings sollten aufmerksame Leser darauf achten, dass in der sogenannten "(Metall-) Lithium-Luft (Sauerstoff) -Batterie" -Arbeitsumgebung die eigentliche Funktion der Rolle des Sauerstoffs in der Luft gilt. Daher nicht so gut wie der Name, Lithium - Luft - Batterie auf die Arbeitsumgebung oder haben einige Anforderungen. Daher gibt es viele Probleme mit Lithium-Luft-Batterien, die nicht gelöst wurden: Die Auswirkungen von H2O und CO2 in der Atmosphäre auf die Nebenwirkungen, die Freisetzung des Entladungsprodukt führt zu Verstopfung des Luftkreislaufs, die große Lade-Entlade Überspannung-induziertes Katalysatorproblem und die Luftelektrode Kohlenstoff-basierte Fluidkorrosion. Weitere Forschung zeigt, dass die Atmosphäre von Stickstoff auch nicht bereit ist, an dieser Reaktion teilzunehmen. 1500869981002075765.jpg

Gleichzeitig hängt die Hemmung der Li 2 O 2 -Ausscheidungsreaktion direkt mit der Entladungskapazität der Batterie zusammen. Ein weiteres Problem bei der Präzipitation von Li 2 O 2 ist, dass die Überspannung zum Zeitpunkt des Ladens groß ist, was nicht nur die Umwandlungseffizienz von Energie beeinflusst, sondern auch die Oxidation von Li 2 O 2 verursacht.

Lithiumionen und Sauerstoff Koexistenzbedingungen, erhöht das Kohlenstoff-Material-Potenzial, die Bildung von Lithiumcarbonat, zu hohe Spannung kann zu einer Zersetzung des Elektrolyten führen, so dass die Luftelektrode eine Vielzahl von Diskussionen hat. Es wird allgemein angenommen, dass die Struktur, Zusammensetzung und katalytische Aktivität der Kathode der Lithium-Luft-Batterie einen wichtigen Einfluss auf die spezifische Kapazität und Zyklusleistung der Batterie haben. Zum Beispiel haben Bruce et al. Berichtet, dass α-MnO2-Nanodrähte mit Kohlenstoff compoundiert wurden, reversibel.

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Mit der zunehmenden Verknappung von Energie wie Öl und Kohle und der zunehmenden Umweltverschmutzung ist es unerlässlich, effiziente saubere Energie zu entwickeln, und die überlegene theoretische Leistung der Lithium - Luft - Batterie wird sie zweifellos in den Fokus der wissenschaftlichen Forschung und kommerziellen Anwendung rücken. Gegenwärtig haben verschiedene Typen von Lithium-Luft-Batterien ihre eigenen Vor- und Nachteile, ob es sich um Flüssigphasen-Elektrolytverdampfung oder poröse Kohlenstoffelektrodenmaterial-Leitfähigkeits-Katalysatorleistung handelt und welche die Batterieleistung beeinflussen, Lithium-Luft-Batterien wollen kommerzielle Anwendungen erreichen. , Konkurrenzfähige Marktpositionierung, muss die Zykluslebensdauer, Energieeffizienz, Luftfiltrationsmembran, Metalllithiumschutz und andere Schlüsselprobleme lösen. Auch verwandte Bereiche von Wissenschaftlern sind ständig bemüht, die Lithium-Luft-Batterie gemeinsam zu fördern, um eine praktische Anwendung zu erreichen. Verglichen mit der traditionellen Metall-Luftbatterie hat Lithium-Luft-Batterie eine geringere Größe, ein geringeres Gewicht, eine höhere Betriebsspannung, höhere spezifische Energieeigenschaften und somit im Militär-, Feld-, Elektrofahrzeug-, Wasser- und anderen Bereichen eine breite Anwendungsaussichten.

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