01 Was sind Lithium-Luft-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien?
① Li-Luft-Akku
Die Lithium-Luft-Batterie verwendet Sauerstoff als positiven Elektrodenreaktanten und metallisches Lithium als negative Elektrode.Es hat eine hohe theoretische Energiedichte (3500 Wh/kg) und seine tatsächliche Energiedichte kann 500-1000 Wh/kg erreichen, was viel höher ist als beim herkömmlichen Lithium-Ionen-Batteriesystem.Lithium-Luft-Batterien bestehen aus positiven Elektroden, Elektrolyten und negativen Elektroden.In nichtwässrigen Batteriesystemen wird derzeit reiner Sauerstoff als Reaktionsgas verwendet, daher können Lithium-Luft-Batterien auch als Lithium-Sauerstoff-Batterien bezeichnet werden.
Im Jahr 1996 stellten Abraham et al.erfolgreich die erste nichtwässrige Lithium-Luft-Batterie im Labor zusammengebaut.Dann begannen Forscher, sich mit der internen elektrochemischen Reaktion und dem Mechanismus nichtwässriger Lithium-Luft-Batterien zu befassen;im Jahr 2002 haben Read et al.fanden heraus, dass die elektrochemische Leistung von Lithium-Luft-Batterien vom Elektrolytlösungsmittel und den Luftkathodenmaterialien abhängt;im Jahr 2006 haben Ogasawara et al.Mithilfe eines Massenspektrometers wurde erstmals nachgewiesen, dass Li2O2 beim Laden oxidiert und Sauerstoff freigesetzt wurde, was die elektrochemische Reversibilität von Li2O2 bestätigte.Daher haben Lithium-Luft-Batterien viel Aufmerksamkeit und eine rasante Entwicklung erhalten.
② Lithium-Schwefel-Batterie
Eine Lithium-Schwefel-Batterie ist ein Sekundärbatteriesystem, das auf der reversiblen Reaktion von Schwefel mit hoher spezifischer Kapazität (1675 mAh/g) und Lithiummetall (3860 mAh/g) mit einer durchschnittlichen Entladespannung von etwa 2,15 V basiert.Seine theoretische Energiedichte kann 2600 Wh/kg erreichen.Seine Rohstoffe zeichnen sich durch niedrige Kosten und Umweltfreundlichkeit aus und bieten daher ein großes Entwicklungspotenzial.Die Erfindung der Lithium-Schwefel-Batterien lässt sich bis in die 1960er Jahre zurückverfolgen, als Herbert und Ulam ein Batteriepatent anmeldeten.Der Prototyp dieser Lithium-Schwefel-Batterie verwendete Lithium oder eine Lithiumlegierung als negatives Elektrodenmaterial, Schwefel als positives Elektrodenmaterial und bestand aus aliphatischen gesättigten Aminen.Elektrolyt.Einige Jahre später wurden Lithium-Schwefel-Batterien durch die Einführung organischer Lösungsmittel wie PC, DMSO und DMF verbessert, und es wurden 2,35-2,5-V-Batterien erhalten.Ende der 1980er Jahre erwiesen sich Ether als nützlich in Lithium-Schwefel-Batterien.In nachfolgenden Studien haben die Entdeckung von Elektrolyten auf Etherbasis, die Verwendung von LiNO3 als Elektrolytzusatz und der Vorschlag von positiven Kohlenstoff/Schwefel-Verbundelektroden den Forschungsboom von Lithium-Schwefel-Batterien eröffnet.
02 Funktionsprinzip der Lithium-Luft-Batterie und der Lithium-Schwefel-Batterie
① Li-Luft-Akku
Entsprechend den unterschiedlichen Zuständen des verwendeten Elektrolyten können Lithium-Luft-Batterien in wässrige Systeme, organische Systeme, Wasser-organische Hybridsysteme und Festkörper-Lithium-Luft-Batterien unterteilt werden.Dazu gehören aufgrund der geringen spezifischen Kapazität von Lithium-Luft-Batterien mit wasserbasierten Elektrolyten, Schwierigkeiten beim Schutz von Lithiummetall und schlechter Reversibilität des Systems nichtwässrige organische Lithium-Luft-Batterien und Festkörper-Lithium-Luft-Batterien Batterien werden derzeit häufiger verwendet.Forschung.Nichtwässrige Lithium-Luft-Batterien wurden erstmals 1996 von Abraham und Z. Jiang vorgeschlagen. Die Entladereaktionsgleichung ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Ladereaktion ist das Gegenteil.Der Elektrolyt besteht hauptsächlich aus organischem Elektrolyt oder Festelektrolyt, und das Entladeprodukt besteht hauptsächlich aus Li2O2. Das Produkt ist im Elektrolyten unlöslich und sammelt sich leicht an der positiven Luftelektrode an, was die Entladekapazität der Lithium-Luft-Batterie beeinträchtigt.
Lithium-Luft-Batterien bieten die Vorteile einer ultrahohen Energiedichte, Umweltfreundlichkeit und eines niedrigen Preises, ihre Forschung steckt jedoch noch in den Kinderschuhen und es müssen noch viele Probleme gelöst werden, beispielsweise die Katalyse der Sauerstoffreduktionsreaktion Sauerstoffdurchlässigkeit und Hydrophobie von Luftelektroden sowie die Deaktivierung von Luftelektroden usw.
② Lithium-Schwefel-Batterie
Lithium-Schwefel-Batterien verwenden hauptsächlich elementaren Schwefel oder schwefelbasierte Verbindungen als positives Elektrodenmaterial der Batterie, und metallisches Lithium wird hauptsächlich für die negative Elektrode verwendet.Während des Entladevorgangs wird das an der negativen Elektrode befindliche metallische Lithium oxidiert, verliert ein Elektron und erzeugt Lithiumionen;Anschließend werden die Elektronen über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode übertragen, und die erzeugten Lithiumionen werden ebenfalls über den Elektrolyten zur positiven Elektrode übertragen, um mit Schwefel zu Polysulfid zu reagieren.Lithium (LiPS) und reagieren dann weiter, um Lithiumsulfid zu erzeugen und den Entladevorgang abzuschließen.Während des Ladevorgangs kehren Lithiumionen in LiPS durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode zurück, während Elektronen über einen externen Kreislauf zur negativen Elektrode zurückkehren, um mit Lithiumionen Lithiummetall zu bilden, und LiPS werden an der positiven Elektrode zu Schwefel reduziert, um den Vorgang abzuschließen Ladevorgang.
Der Entladevorgang von Lithium-Schwefel-Batterien ist hauptsächlich eine mehrstufige, komplexe elektrochemische Reaktion mit mehreren Elektronen und mehreren Phasen an der Schwefelkathode, und LiPS mit unterschiedlichen Kettenlängen werden während des Lade-Entladevorgangs ineinander umgewandelt.Während des Entladevorgangs ist die Reaktion, die an der positiven Elektrode auftreten kann, in Abbildung 2 dargestellt, und die Reaktion an der negativen Elektrode ist in Abbildung 3 dargestellt.
Die Vorteile von Lithium-Schwefel-Batterien liegen auf der Hand, wie z. B. eine sehr hohe theoretische Kapazität;Das Material enthält keinen Sauerstoff und es findet keine Sauerstoffentwicklungsreaktion statt, sodass die Sicherheitsleistung gut ist.Schwefelvorkommen sind reichlich vorhanden und elementarer Schwefel ist billig;Es ist umweltfreundlich und weist eine geringe Toxizität auf.Allerdings weisen Lithium-Schwefel-Batterien auch einige herausfordernde Probleme auf, wie etwa den Lithium-Polysulfid-Shuttle-Effekt;die Isolierung von elementarem Schwefel und seinen Ausscheidungsprodukten;das Problem großer Volumenänderungen;die instabile SEI und Sicherheitsprobleme, die durch Lithiumanoden verursacht werden;Selbstentladungsphänomen usw.
Als neue Generation von Sekundärbatteriesystemen weisen Lithium-Luft-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien sehr hohe theoretische spezifische Kapazitätswerte auf und haben große Aufmerksamkeit bei Forschern und auf dem Sekundärbatteriemarkt auf sich gezogen.Derzeit stehen diese beiden Batterien noch vor vielen wissenschaftlichen und technischen Problemen.Sie befinden sich im frühen Forschungsstadium der Batterieentwicklung.Neben der weiteren Verbesserung der spezifischen Kapazität und Stabilität des Batteriekathodenmaterials müssen auch zentrale Fragen wie die Batteriesicherheit dringend gelöst werden.Auch in Zukunft müssen diese beiden neuen Batterietypen kontinuierlich technisch verbessert werden, um ihre Mängel zu beseitigen und breitere Anwendungsperspektiven zu eröffnen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.04.2023