Recientemente, un importante desarrollo de investigación ha estimulado enormemente el campo del almacenamiento de energía electroquímica: uno de la Universidad de Illinois en Chicago (UIC), el Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad Estatal de California en el norte. Un equipo conjunto de investigación científica de la Universidad Estatal de California (Northridge) publicó un artículo en la revista Nature:
Se hizo un éxito puede ser reciclado más de 700 veces en la atmósfera de aire baterías de litio-aire similares, las baterías de litio-aire antes de romper sólo el uso de oxígeno puro, y el corto ciclo de vida de las restricciones, que la gente vea esto tiene una muy alta energía teórica La batería de densidad reemplaza al ion de litio existente, lo que rompe el potencial de cuellos de botella de kilometraje del vehículo eléctrico.
¿Cuál es la batería de litio-aire? Baterías de litio-aire y las baterías de iones de litio ¿Cuál es la diferencia? ¿Por qué la batería de litio-aire de este avance es muy importante? Esta es la primera de la densidad de energía de la batería de iones de litio no es alta ¿Por qué hablar.
baterías de iones de litio son, con mucho, el más exitoso de la batería recargable. Se llama "batería de iones de litio", porque en la batería, ya sea cargada o descargada, son iones de litio (Li +) Adelante y atrás entre los dos electrodos para formar un ion de litio actual alcanza la necesidad de superficie de electrodo del mismo 'incrustado', y es necesario dejar 'deintercalating' Para garantizar una buena 'Embedded - desintercalación'. Reacción, el ánodo de la batería de iones de litio es normalmente de grafito y el cátodo es generalmente de un compuesto de litio. Por ejemplo, actualmente el más popular en el cátodo 'tres yuanes litio "baterías, además de los elementos de litio, pero también de níquel, cobalto, manganeso tres metales Elementos que componen juntos un compuesto de níquel-cobalto-manganeso-manganato (LiNi 0.3Co 0.3Mn 0.3O2), y el níquel, el cobalto y el manganeso son mucho más pesados que el litio.
Por lo tanto, una batería de iones de litio, aunque sólo una carga de masa atómica relativa iones solamente de litio. 3 (una masa atómica relativa de una masa atómica de un doceavo de carbono) puede llevar a 1 unidad, pero tiene un cátodo un compuesto de litio que constituye la necesidad requiere mucho más pesado que el níquel, cobalto, manganeso, hierro, fósforo, átomos de carbono van 'almacenamiento' es un ion de litio. esto resulta en una carga positiva a la unidad, sólo será proporcionado en el cátodo 1 una masa molecular relativa de 100 puede estar cerca de 'gigante' más el peso del ánodo y otros materiales y estructuras, una densidad de energía de las baterías de iones de litio no siempre subir. es por eso que, de media tonelada llevar batería de iones de litio En los vehículos eléctricos, el rango de crucero es mucho menor que el promedio del automóvil con solo unas pocas decenas de litros de gasolina.
La figura Shu en una batería de iones de litio, con el fin de forma estable 'vivienda' lleva una carga de iones de litio (bola gris en el dibujo), un gran número de otros tipos de participación estructuras, tal como un compuesto de litio (azul, rojo estructura tridimensional) y grafito ( estructura de capas rojas), la masa atómica relativa de estos elementos son mucho más grandes que el litio, que resulta en la densidad de energía de la batería de iones de litio es siempre limitado. en un baterías ideales aire litio, todos estos elementos no es necesario, solamente ¡El metal de litio y el oxígeno en el aire pueden!
La batería de litio de aire es diferente. Las baterías de litio y litio-ion necesitan hacer diferentes compuestos y electrodo de grafito, una batería de litio-aire se pueden utilizar directamente litio metal elemental (Li) y el oxígeno en el aire (O 2) Como un electrodo. En el mejor de los casos, la batería está descargada, el peróxido de litio generado a partir de óxido de oxígeno elemental de litio (Li 2O2), Generando una corriente en el circuito externo; a continuación, desglosado en el peróxido de litio recargable de litio y oxígeno cuando todo el proceso sin una gran masa de otros elementos involucrados, y el cátodo se pueden usar directamente o incluso de peso despreciable y el costo de exclusión de aire.!
Por lo tanto, las baterías de litio-aire pueden alcanzar densidades de energía mucho más altas que las baterías de iones de litio. De hecho, como el litio es el elemento metálico más ligero en la tabla periódica, el oxígeno proviene del aire y las baterías de litio y aire tienen electricidad. La densidad de energía teórica más alta en baterías químicas; en otras palabras, las baterías de litio-aire de unidad de masa pueden almacenar y liberar más energía que todos los demás medios de almacenamiento de energía electroquímicos.
litio no líquido - densidad de energía teórica de la batería de aire de hasta 12kWh / kg, de 5 a 10 veces las baterías de iones de litio convencionales, gasolina casi sobre 13kWh / kg si las baterías de litio-aire comparables puede en última instancia en el mercado. los vehículos eléctricos y los vehículos de gasolina también tendrán el mismo nivel de kilometraje, el kilometraje se romperá por completo el cuello de botella debido a la densidad de energía de la batería de iones de litio es demasiado baja y la causa, para el desarrollo futuro de la energía limpia tiene un significado importante.
Sin embargo, todos estos son análisis teóricos. No es una tarea fácil lograr una situación tan ideal.
Antes de esto, el cátodo de aire puede ser conocido como una batería de litio-aire, pero todos se basan en ambiente de oxígeno puro. Esto es porque, además de oxígeno, aire, nitrógeno, dióxido de carbono, vapor de agua estará involucrado en la reacción, de modo que el proceso se vuelve muy Complejo. La oxidación del litio anódico y la reacción de los iones de litio del cátodo con el dióxido de carbono y el vapor de agua en el aire generan subproductos indeseables.
Como el electrodo, un electrolito en las otras reacciones químicas, y las propiedades químicas de litio metálico y el oxígeno son más activos, el ciclo de vida de una batería de aire de litio ha sido muy corta. Además, el oxígeno en el aire ambiente requiere el uso de litio debe estar equipado con medios de almacenamiento de oxígeno, Por ejemplo, una botella de oxígeno enorme, lo que permite que una batería de litio-aire es directamente alta densidad de energía de oxígeno grande y pesado suavizado tanque, y la capacidad de la batería depende también de la capacidad de la botella de oxígeno. Por otra parte, si desea que la eléctrica Las baterías de litio-aire se utilizan en los automóviles. Las botellas de oxígeno, además de un aumento significativo en el peso, pueden aumentar los riesgos de seguridad.
De hecho, si no se debe a los defectos anteriores, las baterías de iones de litio no se usarán remotamente para usar electrodos complicados. Debido a que las baterías de litio-aire que usan directamente metal litio como electrodos no pueden obtener directamente el oxígeno requerido en el aire, algunos científicos simplemente La batería de aire de litio se llama 'batería de litio-oxígeno'.
Después de muchos años de desarrollo, estos problemas siempre se han visto empañados por las baterías de litio y aire, sin mencionar la competencia con las baterías de iones de litio. Hasta este momento, la Universidad de Illinois en Chicago, el Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad Estatal de California Norte El avance de la Escuela Ling ha traído un brillo esperanzador a este excelente desempeño que existe solo en teoría.
Si desea resolver los defectos fatales de las baterías de litio-aire, debe encontrar formas de evitar las diversas sustancias químicas contenidas en el aire: nitrógeno, dióxido de carbono, vapor de agua y otros componentes implicados en reacciones secundarias Estos efectos secundarios serán electrodos, iones de litio y electrolitos Influyendo, produciendo subproductos no deseados.Los investigadores han llevado a cabo estudios en profundidad utilizando esta técnica utilizando simulaciones por computadora (análisis de densidad funcional) y estudios experimentales. Finalmente, encontraron una respuesta: en electrodos de metal de litio. Agrega una capa protectora.
El núcleo de esta tecnología es que en el ánodo, agregan una capa de carbonato de litio / carbono (LiCO 3/ C) Composición de una capa de protección densa.
El proceso de recubrimiento es inusualmente simple: el litio metálico y el dióxido de carbono atraviesan 10 ciclos de carga y descarga, y se puede completar una reacción química en la superficie del electrodo. El carbonato de litio evitará la entrada de compuestos distintos de los iones de litio, protegiendo así el ánodo. Destrucción de componentes distintos del oxígeno en el aire En la atmósfera, el carbonato de litio no reacciona espontáneamente con el vapor de agua en el aire, por lo que esta capa protectora no participa en la reacción química de la batería, ni tampoco Destruido Bajo la protección del recubrimiento, la tasa de retención de litio de un solo ciclo es tan alta como 99.97%, que es mucho mejor que la batería de aire de litio sin recubrimiento.
Figura 丨 capa de protección de ánodo densa (barra de escala: la línea verde en la figura tiene 1 μm de longitud)
La figura está pasando por Li
2CO
3 Moléculas de oxígeno revestidas
Para evaluar el rendimiento de esta batería, los investigadores utilizaron disulfuro de molibdeno (MoS) que otros estudios habían informado anteriormente. 2Las nanoláminas se usaron como cátodos y se utilizó tetrafluoroborato de 1-etil-3-metilimidazolio (EMIM-BF4) y dimetilsulfóxido (DMSO). ) mezclas de los mismos como electrolito en el trabajo del ánodo, el cátodo, el electrolito, la batería de litio de aire se coloca en un ambiente de aire simulada --79% de nitrógeno, 21% 500 ppm de oxígeno dióxido de carbono, y 45% con respecto Humedad, temperatura 25 C.
Después de la prueba, después de 700 ciclos de carga y descarga, la batería de litio-aire es no se produce ningún fallo. Esto da como resultado que muchas personas esperan, incluso algunos de la tecnología ha alcanzado la batería comercial madura (baterías por ejemplo, de plomo-ácido) de la vida de ciclo.
Por lo tanto, el equipo de investigación llegó a la conclusión de que "ánodos de litio protegidos, mezclas de electrolitos y cátodos de aire de alto rendimiento, trabajando juntos en condiciones simuladas de aire, pueden aumentar eficazmente el número de ciclos en baterías de litio y aire".
Al mismo tiempo, Argonne National Laboratory sigue esta reacción de la pila lleva a cabo simulaciones por ordenador para una mayor comprensión del mecanismo de reacción, a fin de mejorar el rendimiento de la batería en el futuro, proporcionar apoyo teórico para la comercialización potencial futuro.
Cabe señalar que, aunque este estudio está lejos de ser aplicaciones comerciales y su densidad de energía no está lejos de ser óptima, es indudablemente un avance importante en el desarrollo de baterías de litio-aire.
Los resultados de esta investigación demuestran que las baterías de litio-aire pueden proteger a otros gases de la interferencia, adquirir oxígeno directamente de las atmósferas similares al aire, eliminar la dependencia de los dispositivos de almacenamiento de oxígeno y tener una vida útil prolongada. Sin duda, esto es mucho mejor. Los investigadores y la confianza de la industria en el desarrollo futuro de esta revolucionaria tecnología de baterías:
Dado que los problemas más importantes tienen soluciones claras, el resto puede no ser fatal en absoluto. Puede que no pase mucho tiempo antes de que los investigadores puedan crear densidades de energía mucho más altas que las tecnologías de baterías de iones de litio existentes. Nuevas baterías, y esto indudablemente cambiará completamente la estructura de energía existente.
