مقال لفهم المبادئ الأساسية لبطاريات الليثيوم الهوائية وبطاريات الليثيوم الكبريت

01 ما هي بطاريات الليثيوم الهوائية وبطاريات الليثيوم الكبريتية؟

① بطارية ليثيوم هواء

تستخدم بطارية الليثيوم الهوائية الأكسجين كمفاعل القطب الموجب والليثيوم المعدني كقطب سالب.تتميز بكثافة طاقة نظرية عالية (3500 واط / كجم) ، ويمكن أن تصل كثافة طاقتها الفعلية إلى 500-1000 واط / كجم ، وهو أعلى بكثير من نظام بطاريات الليثيوم أيون التقليدي.تتكون بطاريات الليثيوم الهوائية من أقطاب موجبة وإلكتروليت وأقطاب كهربائية سالبة.في أنظمة البطاريات غير المائية ، يُستخدم الأكسجين النقي حاليًا كغاز تفاعل ، لذلك يمكن أيضًا تسمية بطاريات الليثيوم الهوائية ببطاريات الليثيوم الأكسجين.

في عام 1996 ، أبراهام وآخرون.نجح في تجميع أول بطارية ليثيوم-هواء غير مائية في المختبر.ثم بدأ الباحثون في الانتباه إلى التفاعل الكهروكيميائي الداخلي وآلية بطاريات الليثيوم الهوائية غير المائية ؛في عام 2002 ، اقرأ وآخرون.وجد أن الأداء الكهروكيميائي لبطاريات الليثيوم الهوائية يعتمد على مذيب الإلكتروليت ومواد كاثود الهواء ؛في عام 2006 ، أوغاساوارا وآخرون.باستخدام مطياف الكتلة ، ثبت لأول مرة أن Li2O2 يتأكسد ويتم إطلاق الأكسجين أثناء الشحن ، مما يؤكد الانعكاس الكهروكيميائي لـ Li2O2.لذلك ، حظيت بطاريات الليثيوم الهوائية بالكثير من الاهتمام والتطور السريع.

② بطارية ليثيوم كبريت

 بطارية الليثيوم الكبريتية هي نظام بطارية ثانوي يعتمد على رد الفعل العكسي للكبريت عالي السعة (1675 مللي أمبير / جم) ومعدن الليثيوم (3860 مللي أمبير / جم) ، بمتوسط ​​جهد تفريغ يبلغ حوالي 2.15 فولت.يمكن أن تصل كثافة الطاقة النظرية إلى 2600 واط / كجم.تتميز المواد الخام الخاصة بها بمزايا التكلفة المنخفضة والملاءمة البيئية ، لذلك لديها إمكانات تطوير كبيرة.يعود اختراع بطاريات الليثيوم-الكبريت إلى الستينيات ، عندما تقدم هربرت وأولام بطلب للحصول على براءة اختراع للبطارية.يستخدم النموذج الأولي لبطارية الليثيوم الكبريتية الليثيوم أو سبيكة الليثيوم كمادة القطب السالب ، والكبريت كمادة القطب الموجب ويتكون من الأمينات المشبعة الأليفاتية.من المنحل بالكهرباء.بعد بضع سنوات ، تم تحسين بطاريات الليثيوم-الكبريت عن طريق إدخال مذيبات عضوية مثل PC و DMSO و DMF ، وتم الحصول على بطاريات 2.35-2.5V.بحلول أواخر الثمانينيات ، ثبت أن الإيثرات مفيدة في بطاريات الليثيوم-الكبريت.في الدراسات اللاحقة ، أدى اكتشاف الإلكتروليتات القائمة على الأثير ، واستخدام LiNO3 كمادة مضافة للكهرباء ، واقتراح الأقطاب الموجبة من الكربون / الكبريت إلى فتح طفرة بحثية لبطاريات الليثيوم والكبريت.

02 مبدأ عمل بطارية الليثيوم-الهواء وبطارية الليثيوم-الكبريت

① بطارية ليثيوم هواء

وفقًا للحالات المختلفة للإلكتروليت المستخدم ، يمكن تقسيم بطاريات الليثيوم-الهواء إلى أنظمة مائية وأنظمة عضوية وأنظمة هجينة مائية عضوية وبطاريات ليثيوم هواء صلبة بالكامل.من بينها ، بسبب السعة المحددة المنخفضة لبطاريات الليثيوم الهوائية التي تستخدم الإلكتروليتات القائمة على الماء ، وصعوبة حماية معدن الليثيوم ، وضعف انعكاس النظام ، وبطاريات الليثيوم الهوائية العضوية غير المائية وكل الليثيوم والهواء الصلب. تستخدم البطاريات على نطاق واسع في الوقت الحاضر.بحث.تم اقتراح بطاريات الليثيوم الهوائية غير المائية لأول مرة بواسطة Abraham و Z.Jiang في عام 1996. وتظهر معادلة تفاعل التفريغ في الشكل 1. تفاعل الشحن هو عكس ذلك.يستخدم المنحل بالكهرباء بشكل أساسي إلكتروليت عضوي أو إلكتروليت صلب ، ومنتج التفريغ بشكل أساسي Li2O2 ، المنتج غير قابل للذوبان في المنحل بالكهرباء ، ويسهل تراكمه على القطب الموجب للهواء ، مما يؤثر على قدرة تفريغ بطارية الليثيوم الهوائية.

تتمتع بطاريات الليثيوم الهوائية بمزايا كثافة الطاقة العالية جدًا ، والملاءمة البيئية ، والسعر المنخفض ، لكن أبحاثهم لا تزال في مهدها ، ولا تزال هناك العديد من المشكلات التي يتعين حلها ، مثل تحفيز تفاعل تقليل الأكسجين ، نفاذية الأكسجين والكاره للماء من أقطاب الهواء ، وإلغاء تنشيط أقطاب الهواء وما إلى ذلك.

② بطارية ليثيوم كبريت

تستخدم بطاريات الليثيوم-الكبريت بشكل أساسي الكبريت الأولي أو المركبات القائمة على الكبريت كمواد قطب موجبة للبطارية ، ويستخدم الليثيوم المعدني بشكل أساسي في القطب السالب.أثناء عملية التفريغ ، يتأكسد معدن الليثيوم الموجود في القطب السالب ليفقد إلكترونًا ويولد أيونات الليثيوم ؛ثم يتم نقل الإلكترونات إلى القطب الموجب من خلال الدائرة الخارجية ، ويتم أيضًا نقل أيونات الليثيوم المتولدة إلى القطب الموجب من خلال الإلكتروليت للتفاعل مع الكبريت لتشكيل polysulfide.الليثيوم (LiPSs) ، ثم يتفاعل أكثر لتوليد كبريتيد الليثيوم لإكمال عملية التفريغ.أثناء عملية الشحن ، تعود أيونات الليثيوم في LiPSs إلى القطب السالب من خلال الإلكتروليت ، بينما تعود الإلكترونات إلى القطب السالب من خلال دائرة خارجية لتشكيل معدن الليثيوم مع أيونات الليثيوم ، ويتم تقليل LiPSs إلى الكبريت عند القطب الموجب لإكمال عملية الشحن.

إن عملية تفريغ بطاريات الليثيوم-الكبريت هي بشكل أساسي تفاعل كهروكيميائي معقد متعدد الخطوات ومتعدد الإلكترونات ومتعدد المراحل على كاثود الكبريت ، ويتم تحويل LiPSs ذات أطوال سلسلة مختلفة إلى بعضها البعض أثناء عملية تفريغ الشحن.أثناء عملية التفريغ ، يظهر التفاعل الذي قد يحدث عند القطب الموجب في الشكل 2 ، ويظهر التفاعل عند القطب السالب في الشكل 3.

مزايا بطاريات الليثيوم - الكبريت واضحة جدًا ، مثل السعة النظرية العالية جدًا ؛لا يوجد أكسجين في المادة ، ولن يحدث تفاعل تطور الأكسجين ، وبالتالي فإن أداء السلامة جيد ؛موارد الكبريت وفيرة وعناصر الكبريت رخيصة ؛إنها صديقة للبيئة ولها سمية منخفضة.ومع ذلك ، فإن بطاريات الليثيوم-الكبريت لديها أيضًا بعض المشكلات الصعبة ، مثل تأثير مكوك الليثيوم متعدد الكبريتيد ؛عزل عنصر الكبريت ومنتجات تصريفه ؛مشكلة التغييرات الكبيرة الحجم ؛عدم استقرار SEI ومشاكل السلامة التي تسببها أنودات الليثيوم ؛ظاهرة التفريغ الذاتي ، إلخ.

كجيل جديد من نظام البطاريات الثانوية ، تتمتع بطاريات الليثيوم الهوائية وبطاريات الليثيوم-الكبريت بقيم نظرية عالية جدًا للقدرة النوعية ، وقد جذبت اهتمامًا واسعًا من الباحثين وسوق البطاريات الثانوية.في الوقت الحاضر ، لا تزال هاتان البطاريتان تواجهان العديد من المشكلات العلمية والتقنية.هم في مرحلة البحث المبكر لتطوير البطارية.بالإضافة إلى السعة المحددة واستقرار مادة كاثود البطارية التي تحتاج إلى مزيد من التحسين ، يجب أيضًا حل المشكلات الرئيسية مثل سلامة البطارية على وجه السرعة.في المستقبل ، لا يزال هذان النوعان الجديدان من البطاريات بحاجة إلى تحسين تقني مستمر لإزالة عيوبهما من أجل فتح آفاق تطبيق أوسع.