Récemment, un progrès de recherche important domaine de stockage d'énergie électrochimique fortement inspirée. L'un de l'Université de l'Illinois à Chicago (Université de l'Illinois à Chicago, UIC), l'Argonne National Laboratory (Argonne National Laboratory) et California State University Nord Une équipe de recherche scientifique conjointe de la California State University (Northridge) a publié un article dans le magazine Nature:
Il a fait un succès peut être recyclé plus de 700 fois dans l'atmosphère d'air des batteries lithium-air similaires, les batteries lithium-air avant de tomber en utiliser seulement de l'oxygène pur, et le court cycle de vie des restrictions, que les gens voient cela a une énergie théorique très élevé La batterie de densité remplace l'ion de lithium existant, brisant le potentiel de goulot d'étranglement de kilométrage de véhicule électrique.
Qu'est-ce que la batterie lithium-air? Les batteries au lithium-air et des batteries au lithium-ion Quelle est la différence? Pourquoi la batterie lithium-air de cette percée est très important? C'est la première de la densité batterie au lithium-ion énergie n'est pas élevée Pourquoi parler.
Les batteries au lithium-ion sont de loin la plus réussie de la batterie rechargeable. Il est appelé « batterie lithium-ion », parce que dans la batterie, que ce soit chargé ou déchargé, sont des ions lithium (Li +) Retour en arrière entre les deux électrodes pour former un ion lithium actuelle atteint la surface électrode nécessitant un tel traitement « intégré », et il est nécessaire de laisser « désintercaler » Pour assurer une bonne "embarqué - désintercalation. Réaction, l'anode de la batterie au lithium-ion est généralement en graphite et la cathode est en général d'un composé de lithium. Par exemple, actuellement le plus populaire dans la cathode « trois piles yuan lithium », en plus des éléments au lithium, mais aussi le nickel, le cobalt, trois manganèse métaux Éléments qui composent ensemble un composé de nickel-cobalt-manganèse-manganate (LiNi 0.3Co 0.3Mn 0.3O2), et le nickel, le cobalt et le manganèse sont beaucoup plus lourds que le lithium.
Ainsi, une batterie au lithium-ion, bien qu'une charges masse atomique relative des ions lithium seulement. 3 (une masse atomique relative d'une masse atomique d'un douzième de carbone) peut transporter une unité, mais a une cathode un composé de lithium constituant la nécessité exige beaucoup plus lourd que le nickel, le cobalt, le manganèse, le fer, le phosphore, les atomes de carbone vont « stockage » est un ion lithium. il en résulte une charge positive à l'unité, il ne fera que prévu dans la cathode 1 une masse moléculaire relative de 100 peut être proche de « géant », plus le poids de l'anode et d'autres matériaux et des structures, une densité d'énergie des batteries au lithium-ion ne vont pas toujours. voilà pourquoi, une demi-tonne portant batterie au lithium-ion Dans les véhicules électriques, la gamme de croisière est beaucoup moins que la voiture moyenne avec seulement quelques dizaines de litres d'essence.
La figure Shu dans une batterie au lithium-ion, dans le but de manière stable « logement » porte une charge ionique de lithium (boule grise sur le dessin), un grand nombre d'autres participation des structures, tel qu'un composé de lithium (bleu, rouge structure tridimensionnelle) et le graphite ( structure en couches rouge), masse atomique relative de ces éléments sont beaucoup plus grandes que le lithium, ce qui entraîne la densité d'énergie de la batterie au lithium-ion est toujours limitée. dans une batterie d'air de lithium idéales, tous ces éléments ne sera pas nécessaire, que Le lithium métal et l'oxygène dans l'air peuvent!
La batterie de l'air de lithium est différent. Lithium et batteries au lithium-ion doivent faire différents composés et l'électrode de graphite, une batterie lithium-air peuvent être utilisés directement lithium métallique élémentaire (Li) et de l'oxygène dans l'air (O 2) Comme électrode. Dans le meilleur des cas, la batterie est déchargée, le peroxyde de lithium produite à partir de l'oxygène de l'oxyde de lithium élémentaire (Li 2O2), Générant un courant dans le circuit externe, puis décomposé en le peroxyde de lithium rechargeable au lithium et de l'oxygène lorsque l'ensemble du processus sans une grande masse d'autres éléments en cause, et la cathode peuvent être utilisés directement ou même poids négligeable et le coût de l'exclusion de l'air.!
Par conséquent, les batteries lithium-air peuvent atteindre des densités d'énergie beaucoup plus élevées que les batteries lithium-ion En effet, le lithium étant l'élément métallique le plus léger du tableau périodique, l'oxygène provient de l'air et les batteries lithium-air sont électriques. La densité d'énergie théorique la plus élevée dans les batteries chimiques - en d'autres termes, la masse de batteries lithium-air peut stocker et libérer plus d'énergie que tous les autres supports de stockage d'énergie électrochimique.
lithium non liquide - densité d'énergie théorique de la batterie d'air jusqu'à 12kWh / kg, 5 à 10 fois les batteries lithium-ion conventionnelles, l'essence presque au sujet / kg si 13 kWh batteries lithium-air comparables peuvent en fin de compte sur le marché. Les véhicules électriques auront également la même autonomie que les véhicules à essence, ce qui gèrera complètement le goulot d'étranglement de la gamme de croisière causé par la faible densité énergétique des batteries lithium-ion, ce qui est très important pour le développement futur de l'énergie propre.
Cependant, ce sont toutes des analyses théoriques, ce n'est pas une tâche facile de réaliser une telle situation idéale.
Avant cela, la cathode d'air peut être connu comme une batterie lithium-air, mais tout repose sur l'environnement d'oxygène pur. En effet, en plus de l'oxygène, l'air, l'azote, le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau sera impliqué dans la réaction, de sorte que le processus devient très Complexe: L'oxydation du lithium anodique et la réaction des ions cathodiques du lithium avec le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau dans l'air génèrent des sous-produits indésirables.
Etant donné que l'électrode, un électrolyte dans les autres réactions chimiques et les propriétés chimiques du métal de lithium et de l'oxygène sont plus actifs, la durée de vie d'une batterie d'air de lithium a été très court. En outre, l'oxygène dans l'air ambiant nécessite l'utilisation de lithium doit être équipé d'un moyen de stockage d'oxygène, Par exemple, un énorme cylindre d'oxygène, ce qui permet une batterie d'air de lithium est directement haute densité d'énergie importante et lourde lissage du réservoir d'oxygène, et la capacité de la batterie dépend aussi de la capacité de la bouteille d'oxygène. en outre, si vous voulez que l'électrique Les batteries au lithium-air sont utilisées dans les voitures et les bouteilles d'oxygène, en plus d'une augmentation significative du poids, augmentent les risques pour la sécurité.
En effet, si ce n'est pas à cause des défauts ci-dessus, les batteries lithium-ion ne seront pas utilisées pour utiliser à distance des électrodes compliquées. La batterie au lithium est appelée «batterie au lithium-oxygène».
Après de nombreuses années de développement, ces problèmes ont toujours été obscurcis par les batteries lithium-air, sans parler de la concurrence avec les batteries lithium-ion.À cette époque, l'Université de l'Illinois à Chicago, Argonne National Laboratory et California State University North La percée de l'école Ling a apporté de la lumière d'espoir à cette excellente performance qui n'existe qu'en théorie.
Pour résoudre batterie au lithium - air défauts fatals, il est nécessaire de trouver un moyen d'empêcher les divers produits chimiques contenus dans l'air - l'azote, le dioxyde de carbone, vapeur d'eau et d'autres ingrédients impliqués dans ces réactions secondaires ont électrode de réactions secondaires, des ions de lithium et un électrolyte Influencer, produire des sous-produits indésirables Les chercheurs ont mené des études approfondies en utilisant cette technique à l'aide de simulations informatiques (analyse fonctionnelle de densité) et d'études expérimentales et enfin, ils ont trouvé une réponse: Sur les électrodes en métal lithium. Ajouter une couche protectrice.
Le noyau de la technologie est qu'à l'anode, ils ajoutent une couche de Lithium Carbonate / Carbon (LiCO 3/ C) Composition d'un revêtement protecteur dense.
Et le procédé de revêtement très simple: 10 cycles de charge directement à partir du métal de lithium avec du dioxyde de carbone par une réaction chimique à la surface de l'électrode, empêche le carbonate de lithium peut être effectuée à l'exception des ions lithium dans le composé, ce qui protège l'anode n'a pas. Destruction de composants autres que l'oxygène dans l'air Dans l'atmosphère, le carbonate de lithium ne réagit pas spontanément avec la vapeur d'eau dans l'air, de sorte que cette couche protectrice ne participe pas à la réaction chimique de la batterie, ni Détruit Sous la protection du revêtement, le taux de rétention du lithium d'un seul cycle est aussi élevé que 99,97%, ce qui est beaucoup mieux que la batterie au lithium sans revêtement.
Figure 丨 couche de protection anodique dense (barre d'échelle: la ligne verte sur la figure est de 1 μm de longueur)
La figure traverse Li
2CO
3 Molécules d'oxygène enrobées
Pour tester la performance de cette batterie, les chercheurs ont utilisé du bisulfure de molybdène (MoS) qui avait déjà été rapporté par d'autres études. 2) Nanofeuille en tant que cathode et à l'aide de 1-éthyl-3-méthylimidazolium tétrafluoroborate (1-éthyl-3-méthylimidazolium tétrafluoroborate, EMIM-BF4) et le diméthylsulfoxyde (diméthylsulfoxyde, DMSO ) des mélanges de ceux-ci comme électrolyte dans le travail de l'anode, la cathode, l'électrolyte, la batterie de l'air de lithium est placé dans un environnement d'air simulé azote --79% de 21% d'oxygène 500 ppm de dioxyde de carbone, et 45% par rapport Humidité, température 25 C.
Après le test, après 700 cycles de charge et de décharge, la batterie de l'air au lithium est pas la défaillance se produit. Il en résulte que beaucoup de gens attendaient, même une partie de la technologie a atteint la durée de vie batterie commerciale mature (par exemple, des batteries au plomb).
L'équipe vient donc à la conclusion: « anode de lithium protégé, un électrolyte et un mélange de performances de la cathode à air, de travailler ensemble sous des conditions atmosphériques simulées, peut effectivement améliorer les lithium - temps de cycle de la batterie de l'air. »
En même temps, l'Argonne National Laboratory continue à cette réaction cellulaire a effectué des simulations informatiques pour une meilleure compréhension du mécanisme de réaction, de manière à améliorer les performances de la batterie à l'avenir, fournir un appui théorique pour la commercialisation potentielle future.
Il est à noter que si cette étude est loin d'être commerciale et que sa densité énergétique n'est pas loin d'être optimale, elle constitue sans aucun doute un progrès majeur dans le développement des batteries lithium-air.
Cette recherche a démontré, la batterie lithium-air peut protéger sûrement interférences avec d'autres gaz, acquiert l'oxygène directement de l'air dans un environnement gazeux similaire, de la dépendance des dispositifs de stockage d'oxygène, mais a encore une longue durée de vie. Cela est sans aucun doute améliore grandement Les chercheurs et la confiance de l'industrie dans le développement futur de cette technologie de batterie révolutionnaire:
Puisque les problèmes les plus importants ont des solutions claires, le reste peut ne pas être fatal du tout! Il ne faudra pas longtemps pour que les chercheurs puissent créer des densités d'énergie beaucoup plus élevées que les technologies de batteries au lithium-ion existantes. De nouvelles batteries, et cela changera sans aucun doute complètement la structure énergétique existante.
