Recentemente, um importante progresso da pesquisa inspirou muito campo de armazenamento de energia eletroquímica. Um da Universidade de Illinois em Chicago (Universidade de Illinois em Chicago, UIC), Argonne National Laboratory (Argonne National Laboratory) e Universidade Estadual da Califórnia do Norte Uma equipe de pesquisa científica da Universidade Estadual da Califórnia (Northridge) publicou um artigo na Nature magazine--
Ele fez um sucesso pode ser reciclado mais de 700 vezes na atmosfera ar baterias de lítio-ar semelhantes, baterias de lítio-ar antes de quebrar só usam oxigênio puro, e o ciclo de vida curto de restrições, que as pessoas vejam isso tem uma energia muito alta teórica substituir a bateria de lítio densidade existente, um veículo eléctrico pode quebrar o gargalo da quilometragem.
O que é a bateria de lítio-ar? Baterias de ar-lítio e baterias de íon de lítio Qual é a diferença? Por que a bateria de lítio-ar de esta descoberta é muito importante? Este é o primeiro do lítio-íon densidade de energia da bateria não é alto Por que falar.
As baterias de iões de lítio são, de longe, o mais bem sucedido da bateria recarregável. Chama-se "de iões de lítio", porque na bateria, seja carregada ou descarregada, são os iões de lítio (Li +) E para trás entre os dois eléctrodos para formar um ião de lítio actual atinge a superfície do eléctrodo necessidade dos mesmos 'incorporado', e que é necessário para deixar 'deintercalating' Para garantir uma boa 'Incorporado - deintercalation'. Reacção, o ânodo da bateria de lítio é geralmente de grafite e o cátodo é geralmente de um composto de lítio. Por exemplo, actualmente o mais popular no cátodo 'três yuan lítio "baterias, em adição aos elementos de lítio, mas também de níquel, cobalto, manganês três metais composto elementar, de níquel-cobalto em conjunto com a composição de manganato de lítio (lini 0.3Co 0.3Mn 0.3O2), E níquel, cobalto, manganês deve ser muito mais pesado do que o lítio.
Portanto, em uma bateria de íons de lítio, embora apenas um íon de lítio com uma massa atômica relativa de 3 (um relativo da massa de um átomo de carbono é um décimo segundo) pode transportar uma unidade de carga, seu cátodo Existe também uma necessidade de níquel, cobalto, manganês, ferro, fósforo, carbono e outros compostos constituintes de átomos que são muito mais pesados que o lítio para 'receber' este ião de lítio, o que leva a uma carga positiva de apenas 1 no cátodo. Um "shopping" com uma massa molecular relativa aproximando-se de 100. Juntamente com o peso do ânodo e outros materiais e estruturas, a densidade de energia de uma bateria de íons de lítio não consegue acompanhar. É por isso que um carro carrega meia tonelada de baterias de íons de lítio. Em veículos elétricos, o alcance de cruzeiro é muito menor do que o carro médio com apenas algumas dezenas de litros de gasolina.
Numa bateria de iões de lítio, para armazenar estavelmente 'Íons de lítio carregando cargas (esferas cinzentas na figura), é necessário um grande número de outras estruturas, tais como compostos de lítio (azul, estruturas estéricas vermelhas) e grafite ( Estrutura em camadas vermelhas), a massa atômica relativa desses elementos é muito maior do que a do lítio, o que leva à densidade de energia limitada das baterias de íons de lítio.Em uma bateria de lítio-ar ideal, esses elementos não são mais necessários. Metal de lítio e oxigênio no ar podem!
As baterias de lítio-ar são diferentes.Ao contrário das baterias de íons de lítio, que requerem compostos de lítio e eletrodos de grafite, as baterias de lítio-ar podem usar diretamente lítio metálico (Li) e oxigênio no ar (O 2Como eletrodo No caso mais ideal, quando a bateria é descarregada, o peróxido de lítio gera peróxido de lítio a partir do oxigênio elementar (Li). 2O2), no circuito externo para gerar corrente, peróxido de lítio e lítio na decomposição do óxido de lítio durante o carregamento.O processo inteiro sem a participação de outros elementos de maior qualidade, e o cátodo pode até usar diretamente o peso e custo do ar pode ser ignorado!
densidade de energia, por conseguinte, da bateria de lítio-ar pode ser realizado do que a bateria de lítio muito mais elevada. De facto, uma vez que de lítio é o mais leve da Tabela Periica do elemento de metal massa atómica relativa, enquanto que o oxigénio do ar, baterias de ar de lítio tem uma potência A mais alta densidade de energia teórica em baterias químicas - em outras palavras, a massa de baterias de lítio-ar pode armazenar e liberar mais energia do que todos os outros meios de armazenamento de energia eletroquímica.
Não líquido lítio - densidade de energia teórica da bateria ar até 12kWh / kg, de 5 a 10 vezes a baterias de lítio convencionais, gasolina quase sobre 13kWh / kg se as baterias de lítio-ar comparáveis podem, em última instância para o mercado. veículos eléctricos e veículos a gasolina também terá o mesmo nível de quilometragem, a quilometragem vai quebrar completamente o gargalo devido ao iões de lítio densidade de energia da bateria é muito baixa e causa, para o desenvolvimento futuro de energia limpa tem um significado importante.
No entanto, estas são análises teóricas, e não é uma tarefa fácil alcançar essa situação ideal.
Antes disso, o cátodo de ar pode ser conhecido como uma bateria de lítio-ar, mas apoiam-se em atmosfera de oxigénio puro. Isto é porque, para além de oxigénio, ar, azoto, dióxido de carbono, vapor de água vai ser envolvido na reacção, de modo que o processo torna-se muito complexo. ânodo de óxido de lítio, um cátodo, e a reacção entre os iões de lítio e o dióxido de carbono e vapor de água no ar irá gerar subprodutos indesejados.
Uma vez que o eléctrodo, um electrólito nas outras reacções químicas e as propriedades químicas do lítio metálico e oxigénio são mais activo, o ciclo de vida de uma bateria de ar de lítio foi muito curto. Além disso, o oxigénio no ar ambiente requer o uso de lítio deve ser equipado com meios de armazenagem de oxigénio, por exemplo, um grande cilindro de oxigênio, o que permite que uma bateria de lítio-ar é directamente alta densidade de energia grande e pesado de oxigênio suavização do tanque, e a capacidade da bateria também depende da capacidade da garrafa de oxigénio. Além disso, se você quiser que o elétrica As baterias de lítio-ar são usadas em carros e as garrafas de oxigênio, além do aumento significativo no peso, aumentam os riscos de segurança.
Na verdade, se não for por causa dos defeitos acima, as baterias de íons de lítio não serão usadas para usar remotamente eletrodos complicados.Como as baterias de lítio que usam diretamente metal de lítio como eletrodos não podem obter diretamente o oxigênio necessário no ar, alguns cientistas simplesmente A bateria de lítio-ar é chamada de 'bateria de lítio-oxigênio'.
Depois de muitos anos de desenvolvimento, esses problemas sempre foram obscurecidos por baterias de lítio-ar, sem mencionar a competição com baterias de íons de lítio, até então a Universidade de Illinois em Chicago, o Laboratório Nacional Argonne e a Universidade Estadual da Califórnia Norte. O avanço da Ling School trouxe brilho promissor a esse excelente desempenho que existe apenas na teoria.
Se você quiser resolver os defeitos fatais de baterias de ar de lítio, você deve encontrar maneiras de evitar os diversos produtos químicos contidos no ar - nitrogênio, dióxido de carbono, vapor de água e outros componentes envolvidos nas reações colaterais - eletrodos, íons de lítio e eletrólitos. Influenciando, produzindo subprodutos indesejados Os pesquisadores realizaram estudos aprofundados usando esta técnica usando simulações computacionais (análise funcional de densidade) e estudos experimentais Finalmente, encontraram uma resposta: Sobre os eletrodos de lítio-metal. Adicione uma camada protetora.
O núcleo desta tecnologia é que, no ânodo, eles adicionam uma camada de Carbonato de Lítio / Carbono (LiCO 3/ C) Composição de um revestimento protetor denso.
O processo de revestimento é incomumente simples: o metal de lítio e o dióxido de carbono passam por 10 ciclos de carga e descarga, e uma reação química na superfície do eletrodo pode ser concluída.O carbonato de lítio impedirá a entrada de outros compostos além dos íons lítio, protegendo o ânodo. Destruição de componentes que não o oxigénio no ar Na atmosfera, o carbonato de lítio não reage espontaneamente com o vapor de água no ar, pelo que esta camada de protecção não participa na reacção química da bateria, nem Sob a proteção do revestimento, a taxa de retenção de lítio de um único ciclo é tão alta quanto 99,97%, o que é muito melhor do que a bateria de ar de lítio sem revestimento.
Figura 丨 camada de proteção do ânodo denso (barra de escala: a linha verde na figura tem 1 μm de comprimento)
Figura está passando por Li
2CO
3 Moléculas de oxigênio revestidas
Para testar o desempenho desta bateria, os pesquisadores usaram o dissulfeto de molibdênio (MoS) que havia sido relatado anteriormente por outros estudos. 2As nanoheets foram utilizadas como cátodos e utilizaram tetrafluoroborato de 1-etil-3-metilimidazólio (EMIM-BF4) e dimetilsulfóxido (DMSO). A composição da mistura como um eletrólito Com o ânodo, cátodo e eletrólito trabalhando juntos, a bateria de ar de lítio foi colocada em um ambiente de ar simulado - 79% de nitrogênio, 21% de oxigênio, 500ppm de dióxido de carbono e 45% relativo. Umidade, temperatura 25 C.
Após o teste, após 700 ciclos de carga e descarga, a bateria de lítio-ar não apresentou nenhuma falha, o que está além das expectativas de muitas pessoas e chegou a atingir o ciclo de vida de algumas baterias comerciais maduras (como baterias de chumbo-ácido).
A equipe de pesquisa, portanto, chegou à conclusão de que "ânodos de lítio protegidos, misturas de eletrólitos e catodos de ar de alto desempenho, trabalhando juntos sob condições de ar simuladas, podem efetivamente aumentar o número de ciclos em baterias de ar de lítio".
Ao mesmo tempo, Argonne National Laboratories continua a realizar simulações computacionais desta reação da bateria, a fim de compreender melhor o mecanismo de reação, a fim de melhorar o desempenho da bateria no futuro e fornecer suporte teórico para possível comercialização futura.
Deve-se ressaltar que, embora esta pesquisa ainda esteja longe de aplicações comerciais e sua densidade de energia não esteja longe do ideal, é sem dúvida um grande avanço no desenvolvimento de baterias de lítio-ar.
Os resultados desta pesquisa provam que as baterias de ar de lítio podem realmente proteger outros gases da interferência, diretamente adquirir oxigênio de atmosferas semelhantes ao ar, se livrar da dependência de dispositivos de armazenamento de oxigênio e ter uma vida útil longa, sem dúvida muito melhorada. Pesquisadores e indústria confiam no desenvolvimento futuro desta revolucionária tecnologia de baterias:
Uma vez que os problemas mais importantes têm soluções claras, o restante pode não ser fatal de jeito nenhum! Não demorará muito para que os pesquisadores possam criar densidades de energia muito mais altas do que as tecnologias de baterias de íons de lítio existentes. Novas baterias, e isso, sem dúvida, mudará completamente o cenário energético existente.
