В последнее время важная исследовательская разработка в значительной степени стимулировала область хранения электрохимической энергии. Один из Университета штата Иллинойс в Чикаго (UIC), Национальной лаборатории Аргонна и Университета штата Калифорния North Объединенная научная группа Калифорнийского государственного университета (Нортридж) опубликовала статью в журнале Nature -
Линейно-воздушная батарея, которая может циркулировать более чем в 700 раз в воздушной атмосфере, была успешно изготовлена. Это нарушает предыдущее ограничение того, что литиево-воздушные батареи могут использовать только чистый кислород и имеют короткий срок службы, что позволяет людям видеть, что это имеет очень высокую теоретическую энергию. Батарея плотности заменяет существующий ион лития, разрушая потенциал узкого места пробега электромобилей.
Что такое литиево-воздушная батарея? В чем разница между литиево-воздушной батареей и литий-ионным аккумулятором? Почему этот прорыв в литиево-воздушных батареях очень важен? Это первый вопрос о том, почему литий-ионные батареи имеют низкую плотность энергии.
Литиево-ионные аккумуляторы, безусловно, являются наиболее успешными перезаряжаемыми батареями. Их называют «литий-ионными батареями», потому что в батареях, независимо от того, заряжены они или разряжены, все они литий-ионы (Li +) Шаттл между двумя электродами, чтобы сформировать ток. Ионы лития должны быть «внедрены» на их поверхности, когда они достигают электрода и «деинтеркалируются» на своем пути. Чтобы обеспечить хорошую реакцию «встроенного деинтеркалированного», Анод литий-ионной батареи обычно представляет собой графит, а катод обычно представляет собой соединение лития. Например, в катоде самой популярной «тройной литиевой» батареи помимо лития, никеля, кобальта и марганца также требуются. Элементы, которые объединяют соединение никель-кобальт-марганец-манганат (LiNi 0.3Колорадо 0.3Миннесота 0.3O2), а никель, кобальт и марганец намного тяжелее лития.
Поэтому в литий-ионной батарее, хотя только один ион лития с относительной атомной массой 3 (один относительный вес атома углерода составляет один двенадцатый) может нести одну единицу заряда, ее катод равен Существует также потребность в никелевых, кобальтовых, марганцевых, железосодержащих, фосфорных, углеродных и других атомообразующих соединениях, которые намного тяжелее лития, чтобы «получить» этот ион лития, что приводит к положительному заряду для этой единицы, которая нужна только на катоде. «Торговый центр» с относительной молекулярной массой приближается к 100. Вместе с весом анода и других материалов и структур плотность энергии литий-ионной батареи не может идти в ногу с этим, поэтому на одном автомобиле имеется полтонна литиево-ионная батарея. В электромобилях крейсерская дальность намного меньше, чем в среднем автомобиле с несколькими десятками литров бензина.
В литий-ионной батарее для стабильного «хранения» ионов лития, несущих заряды (серые сферы на рисунке), требуется большое количество других структур, таких как соединения лития (синие, красные стерические структуры) и графит ( Красная слоистая структура), относительная атомная масса этих элементов намного больше, чем у лития, что приводит к ограниченной плотности энергии литий-ионных батарей. В идеальной литиево-воздушной батарее эти элементы больше не нужны. Литий-металл и кислород в воздухе могут!
В отличие от литий-ионных батарей, для которых требуются соединения лития и графитовые электроды, литиево-воздушные батареи могут непосредственно использовать литий-металл (Li) и кислород в воздухе (O 2) В качестве электрода. В наиболее идеальном случае, когда батарея разряжается, оксид лития генерирует пероксид кислорода из элементарного оксида лития (Li). 2O2), Во внешней цепи для генерации тока, пероксида лития и лития при разложении оксида лития во время зарядки. Весь процесс без участия других элементов более высокого качества, а катод может даже непосредственно использовать вес, а стоимость может быть незначительным воздухом!
Поэтому литиево-воздушные батареи могут достичь гораздо более высоких плотностей энергии, чем литий-ионные батареи. Фактически, поскольку литий является самым легким металлическим элементом в периодической таблице, кислород поступает из воздуха, а литиево-воздушные батареи имеют электричество. Самая высокая теоретическая плотность энергии в химических батареях - другими словами, литиево-воздушные батареи единичной массы могут хранить и выделять больше энергии, чем все другие электрохимические накопители энергии.
Нежидкостная литиево-воздушная батарея имеет теоретическую плотность энергии 12 кВтч / кг, что в 5-10 раз больше, чем у существующих литий-ионных батарей, и почти сравнима с примерно 13 кВтч / кг бензина.Если литиево-воздушные батареи могут в конечном итоге выйти на рынок, Электрические транспортные средства также будут иметь такой же крейсерский диапазон, как и бензиновые транспортные средства, что полностью разрушит узкое место круиза, вызванное низкой плотностью энергии литий-ионных батарей, что имеет большое значение для будущего развития чистой энергии.
Тем не менее, это все теоретические анализы. Это не простая задача для достижения такой идеальной ситуации.
До сих пор литиево-воздушные батареи, которые можно было использовать для использования воздуха в качестве катода, все зависели от чистого кислорода. Это связано с тем, что в дополнение к кислороду азот в воздухе, углекислом газе и водяном паре участвует в реакции, делая этот процесс чрезвычайно несравненным. Комплекс. Окисление анодного лития и реакция ионов катодного лития с двуокисью углерода и водяным паром в воздухе вызывают нежелательные побочные продукты.
Из-за электрода другие химические реакции на электролите и химические свойства металлического лития и кислорода относительно живы, срок службы литиево-воздушной батареи также был очень коротким. Кроме того, чистое кислородное окружение требует, чтобы литиевый воздух был оснащен устройством хранения кислорода при его использовании. Например, большой кислородный баллон, который позволяет напрямую поглощать высокую плотность энергии литиево-воздушных батарей крупными и тяжелыми резервуарами для хранения кислорода, а емкость батареи также зависит от емкости кислородного баллона. Более того, если вы хотите быть электрическим В автомобилях используются литиево-воздушные батареи. Кислородные бутылки, помимо значительного увеличения веса, повышают риски для безопасности.
Фактически, если это не из-за вышеуказанных дефектов, литий-ионные батареи не будут использоваться для дистанционного использования сложных электродов. Поскольку литиево-воздушные батареи, которые непосредственно используют литий-металл в качестве электродов, не могут непосредственно получить необходимый кислород в воздухе, некоторые ученые даже просто Литиевая воздушная батарея называется «литий-кислородная батарея».
После многих лет развития эти проблемы всегда были омрачены литиево-воздушными батареями, не говоря уже о конкуренции с литиево-ионными батареями. До этого времени Иллинойский университет в Чикаго, Национальная лаборатория Аргонн и Калифорнийский государственный университет Север Прорыв Линг-школы принес надежду на эту превосходную работу, которая существует только в теории.
Если вы хотите решить фатальные изъяны литиево-воздушных батарей, вы должны найти способы предотвратить попадание различных химических веществ, содержащихся в воздухе, - азота, углекислого газа, водяного пара и других компонентов, участвующих в побочных реакциях. Эти побочные эффекты на электрод, ионы лития и электролиты Влияние на производство нежелательных побочных продуктов. Исследователи провели углубленные исследования, используя этот метод, используя компьютерное моделирование (функциональный анализ плотности) и экспериментальные исследования. Наконец, они нашли ответ: на литиевых металлических электродах. Добавьте защитный слой.
Ядром технологии является то, что на аноде они добавляют слой карбоната лития / углерода (LiCO 3/ C) Состав плотного защитного покрытия.
Процесс нанесения покрытия необычайно прост: металл лития и диоксид углерода проходят через 10 циклов заряда и разряда, а химическая реакция на поверхности электрода может быть завершена. Карбонат лития предотвратит проникновение соединений, отличных от ионов лития, тем самым защищая анод. Разрушение компонентов, отличных от кислорода, в воздухе. В атмосфере карбонат лития не реагирует спонтанно с водяным паром в воздухе, поэтому этот защитный слой не участвует в химической реакции батареи, Разрушенный. Под защитой покрытия скорость удерживания лития за один цикл достигает 99,97%, что намного лучше, чем литиевая воздушная батарея без покрытия.
Рисунок 丨 Плотный защитный слой анода (шкала: зеленая линия на рисунке составляет 1 мкм)
Рисунок проходит через Li
2Колорадо
3 Покрытые молекулы кислорода
Для проверки работы этой батареи исследователи использовали дисульфид молибдена (MoS), о котором ранее сообщалось в других исследованиях. 2Наношцы использовались в качестве катодов и использовали тетрафторборат 1-этил-3-метилимидазолия (EMIM-BF4) и диметилсульфоксид (ДМСО). Состав смеси в качестве электролита. При совместном использовании анода, катода и электролита литиево-воздушная батарея помещалась в смоделированную воздушную среду - 79% азота, 21% кислорода, 500 промилле углекислого газа и 45% относительной. Влажность, температура 25 С.
После тестирования после 700 циклов зарядки и разрядки литиево-воздушная батарея не показывала никаких сбоев. Это не оправдывает ожиданий многих людей и даже достигло жизненного цикла некоторых зрелых коммерческих батарей (таких как свинцово-кислотные батареи).
Поэтому исследовательская группа пришла к выводу, что «защищенные литиевые аноды, смеси электролитов и высокоэффективные воздушные катоды, работающие вместе в условиях искусственного воздуха, могут эффективно увеличить количество циклов в литиево-воздушных батареях».
В то же время Argonne National Laboratories продолжает проводить компьютерное моделирование этой реакции батареи, чтобы еще больше понять механизм реакции, чтобы улучшить производительность батареи в будущем и обеспечить теоретическую поддержку для возможной коммерциализации в будущем.
Следует отметить, что, хотя это исследование далека от коммерческих применений, и его плотность энергии не является оптимальной, это, несомненно, является важным шагом вперед в развитии литиево-воздушных батарей.
Результаты этого исследования подтверждают, что литиево-воздушные батареи действительно могут защищать другие газы от помех, непосредственно поглощать кислород из атмосферных атмосфер, избавляться от зависимости от устройств хранения кислорода и иметь длительный срок службы. Это, несомненно, значительно улучшилось. Исследователи и отраслевая уверенность в дальнейшем развитии этой революционной технологии батареи:
Поскольку наиболее важные проблемы имеют четкие решения, остальное может быть вовсе не смертельным! Возможно, не так давно исследователи могут создавать плотности энергии намного выше, чем существующие литиево-ионные аккумуляторные технологии. Новые батареи, и это, несомненно, полностью изменит существующий энергетический ландшафт.
