최근 중요한 연구 진행은 크게 시카고 일리노이 대학 (시카고 일리노이 대학, UIC), 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) (아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory)) 및 캘리포니아 주립 대학 노스에서 전기 화학적 에너지 저장 분야. 한 영감 캘리포니아 주립 대학 (Northridge)의 공동 과학 연구 팀은 Nature 매거진에 기사를 실었습니다.
그것은 성공은 순수한 산소 및 제한의 짧은 라이프 사이클을 사용하여 파괴하기 전에 공기 분위기에서 유사한 리튬 - 공기 전지, 리튬 - 공기 배터리를 700 개 이상의 배를 재활용 할 수 있습니다 만든 사람이 매우 높은 이론적 인 에너지가 보자 기존 농도의 리튬 이온 전지를 대체하는 전기 차량 주행의 병목 현상을 깰 수있다.
리튬 - 공기 배터리는 무엇입니까? 리튬 - 공기 배터리와이 혁신의 리튬 - 공기 배터리가 매우 중요하다 왜 차이가? 무엇 리튬 이온 배터리가? 이것은 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도에서 첫 번째 것은 왜 이야기 높지 않다.
리튬 이온 전지는 재충전 가능한 전지의 지금까지 가장 성공적인 기준이다. 이것은 "리튬 이온 전지"라고하며, 배터리의 충전 또는 방전 여부에 리튬 이온 (리튬 때문에 +) 전후 2 개 개의 전극의 사이에 현재의 리튬 이온은 '포함'이들 전극 표면 필요 도달 형성하고 잘 보장하기 위해 '탈리'떠날 필요합니다 '임베디드 - 탈리'. 반응을 또한, 니켈, 코발트, 망간 세 금속 리튬 이온 배터리의 양극은 통상 그라파이트이고 음극이 리튬의 화합물 일반적이다. 캐소드 '세 위안 리튬 "전지 예를 들면, 현재 가장 인기있는 리튬 원소 이외에 있지만 망간 산 리튬의 구성 원소와 함께 니켈 코발트 화합물 (LiNi 0.3공동 0.3Mn 0.3O2), 니켈, 코발트 및 망간은 리튬보다 훨씬 무겁다.
따라서, 리튬 이온 전지에서, 상대 원자 질량이 3 인 리튬 이온 (탄소 원자 1 개가 1/12)은 하나의 단위 전하를 운반 할 수 있지만, 그 캐소드는 필요를 구성하는 리튬 화합물은 니켈, 코발트, 망간, 철, 인보다 무거운 필요 탄소수가 '저장'리튬 이온 간다.이 장치에 양전하 결과, 그것은 단지 음극 (1)에 제공한다 (100)의 상대 분자 질량은 항상 가지 마세요 '거대한'플러스 양극과 다른 재료와 구조, 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도의 무게에 근접 할 수있다. 그 이유는, 리튬 이온 배터리를 운반하는 하프 톤 전기 자동차에서 순항 범위는 단지 수십 리터의 휘발유만으로 평균 차보다 훨씬 적습니다.
리튬 이온 전지에도 슈 순서에 안정적 '하우징'와 같은 리튬 화합물 (블루, 레드 3 차원 구조) 및 흑연 등의 리튬 이온 전하 (도면 회색 공), 다른 구조의 참여를 다수 (운반 리튬 이온 전지의 에너지 밀도에서 생성 된 적색 층 구조), 리튬보다 훨씬 큰 이들 원소의 원자량이 항상 오직 이들 요소의 모든 것 불필요 이상적인 리튬 공기 전지있다. 한정 리튬 금속과 공기 중의 산소는!
리튬 공기 배터리는 리튬 화합물과 흑연 전극을 필요로하는 리튬 이온 배터리와 달리 리튬 공기 (Li)와 산소를 공기 중에 직접 사용할 수 있습니다 (O 2) 전극으로서 가장 이상적인 경우, 전지가 방전 될 때 리튬 과산화물은 원소 산소 (Li)로부터 리튬 과산화물을 생성합니다. 2O2), 외부 회로에서의 전류를 생성하는 단계와 관련된 다른 요소의 큰 질량없이 모든 과정, 및 음극이 직접적으로 사용될 수 있다고 판단되는 경우 그 리튬 리튬 과산화물과 산소로 분해하거나 무시할 중량 및 공기 배제 선정.!
리튬은 금속 원소 원자량 주기율표 가벼운 때문에 리튬 이온 전지보다 따라서, 리튬 - 에어 배터리가 실현 될 수있는 에너지 밀도가 훨씬 높다. 실제로, 공기, 리튬 에어 배터리로부터의 산소는 전력을 갖는다 화학 전지의 가장 높은 이론적 에너지 밀도, 즉 리튬 공기 전지의 질량은 다른 모든 전기 화학적 에너지 저장 매체보다 더 많은 에너지를 저장하고 방출 할 수 있습니다.
비 액체 리튬 - 12kWh / kg으로 에어 배터리 최대의 이론적 인 에너지 밀도가 5, 10 배, 종래의 리튬 이온 전지, 가솔린 거의 대등 리튬 - 공기 배터리 수 있다면 결국 시장 13kWh / kg 약. 청정 에너지의 미래 발전은 중요한 의미를 갖는다위한 전기 자동차와 가솔린 자동차는 주행 거리 같은 수준이있을 것이다 완전히 인해 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도에 병목 현상을 깰 것이다 주행 거리가 너무 낮은 원인이다.
그러나 이것들은 모두 이론적 인 분석이며 그러한 이상적인 상황을 달성하는 것은 쉬운 일이 아닙니다.
프로세스는 매우되도록 산소, 공기, 질소, 이산화탄소 이외에, 수증기가 반응에 관여 할 것 때문에 이에 앞서 공기 캐소드는 리튬 에어 배터리라고도 할 수 있지만, 모두 순수 산소 환경에 의존한다. 이것은 인 복합체 : 양극 리튬의 산화 및 공기 중의 음극 리튬 이온과 이산화탄소 및 수증기의 반응은 바람직하지 않은 부산물을 생성한다.
전극 때문에, 리튬 금속과 산소의 화학 반응, 화학 특성에 전해질보다 활성 리튬 에어 배터리의 수명이 매우 짧은있다. 또한, 대기 중의 산소는 리튬의 사용은 산소 저장 수단 장착해야 필요 예를 들어, 리튬 에어 배터리 수있는 거대한 산소 실린더 직접 높은 에너지 밀도가 크고 무거운 산소 탱크 평활하며, 배터리 용량도 산소 병의 용량에 의존한다. 또한, 사용자가 전기 원한다면 리튬 공기 배터리는 자동차에 사용되며, 산소 병은 중량이 크게 증가하고 안전 위험이 증가합니다.
사실, 위의 결함 때문에 리튬 이온 전지를 사용하지 않으면 원격으로 복잡한 전극을 사용할 수 없습니다 리튬 금속을 전극으로 직접 사용하는 리튬 공기 전지는 공기 중 필요한 산소를 직접 얻을 수 없으므로 일부 과학자는 리튬 공기 전지는 '리튬 - 산소 전지'라고합니다.
수년간의 개발 끝에 리튬 이온 배터리와의 경쟁은 말할 것도없이 리튬 공기 배터리에 의해 이러한 문제가 항상 흐려졌습니다.이 시간까지 시카고 일리노이 대학, 아르곤 국립 연구소 및 캘리포니아 주립 대학 노스 링 학교 (Ling School)의 돌파구는 이론적으로 만 존재하는 우수한 성능에 희망적인 밝기를 가져 왔습니다.
리튬 공기 배터리의 치명적인 결함을 해결하려면 공기, 질소, 이산화탄소, 수증기 및 기타 부반응에 관여하는 각종 화학 물질을 방지 할 방법을 찾아야합니다. 이러한 부작용은 전극, 리튬 이온 및 전해질입니다 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션 (밀도 기능 분석)과 실험적 연구를 사용하여이 기법을 사용하여 심층적 인 연구를 수행했으며, 마지막으로 리튬 금속 전극에 대한 답변을 찾았습니다. 보호 층을 추가하십시오.
이 기술의 핵심은 애노드에서 리튬 탄산염 / 탄소 (LiCO 3/ C) 조밀 한 보호 코팅의 조성.
리튬 금속과 이산화탄소는 충 방전 10 사이클을 거쳐 전극 표면의 화학 반응을 완결 할 수 있으며 탄산 리튬은 리튬 이온 이외의 화합물의 침입을 막아 양극을 보호합니다. 대기 중의 산소 이외의 성분의 파괴 대기 중의 탄산 리튬은 공기 중의 수증기와 자연 반응하지 않으므로이 보호 층은 전지의 화학 반응에 관여하지 않으며 파괴 됨 코팅의 보호하에 단일 사이클의 리튬 유지율은 99.97 %로 높으며 코팅이없는 리튬 공기 전지보다 훨씬 우수합니다.
그림 丨 고밀도 양극 보호 층 (스케일 막대 : 그림에서 녹색 선은 1 μm 길이 임)
그림은 리를 지나가고있다.
2콜로라도 주
3 코팅 된 산소 분자
이 배터리의 성능을 테스트하기 위해 연구자들은 이전에 다른 연구에서보고 된 이황화 몰리브덴 (MoS)을 사용했습니다. 2나노 시트는 음극으로 사용되었고 1- 에틸 -3- 메틸이 미다 졸륨 테트라 플루오로 보레이트 (EMIM-BF4)와 디메틸 술폭 사이드 (DMSO)를 사용했다. 전해질로서의 혼합물의 조성 : 양극, 음극 및 전해질을 함께 사용하여, 리튬 공기 전지를 시뮬레이션 공기 환경 (79 % 질소, 21 % 산소, 500ppm 이산화탄소 및 45 % 친척)에 두었다. 습도, 온도 25 C.
테스트 후, 700 사이클의 충전 및 방전 후, 리튬 - 공기 배터리는 많은 사람들의 기대를 뛰어 넘으며 심지어 성숙한 상업용 배터리 (예 : 연 축전지)의 사이클 수명에 도달했습니다.
따라서 연구팀은 시뮬레이션 된 공기 조건에서 함께 작동하는 리튬 이온, 전해질 혼합물 및 고성능 공기 음극을 보호함으로써 리튬 공기 배터리의 사이클 수를 효과적으로 증가시킬 수 있다고 결론지었습니다.
동시에 Argonne National Laboratories는 반응 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해이 배터리 반응의 컴퓨터 시뮬레이션을 계속 수행하여 향후 배터리 성능을 향상시키고 향후 상용화를위한 이론적 지원을 제공합니다.
이 연구는 상업적 용도와는 거리가 멀지 만 에너지 밀도가 최적 수준에 미치지 못하는 것은 분명하지만 리튬 - 공기 전지의 발전에있어 중요한 진보임을 의심 할 여지가 없습니다.
이 연구의 결과는 리튬 공기 배터리가 실제로 다른 가스를 간섭으로부터 보호하고, 공기와 같은 대기로부터 직접 산소를 획득하며, 산소 저장 장치에 대한 의존성을 없애고, 긴 사이클 수명을 가질 수 있음을 증명합니다. 연구원과 산업 혁명적 인 배터리 기술의 미래 발전 :
가장 중요한 문제는 명확한 해결책을 가지고 있기 때문에 나머지는 치명적이지는 않습니다. 연구원들이 기존 리튬 이온 배터리 기술보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 생성하기까지는 오래 걸리지 않을 수도 있습니다. 새로운 배터리, 그리고 이것은 의심 할 여지없이 완전히 기존의 에너지 환경을 바꿀 것입니다.
