เมื่อเร็ว ๆ นี้การพัฒนางานวิจัยที่สำคัญได้กระตุ้นสาขาพลังงานไฟฟ้าเคมีอย่างมากจาก University of Illinois ที่ Chicago (UIC), Argonne National Laboratory และ California State University North ทีมวิจัยทางวิทยาศาสตร์ร่วมของ California State University (Northridge) ได้เผยแพร่บทความในนิตยสาร Nature -
มันทำให้ความสำเร็จที่สามารถนำกลับมามากกว่า 700 ครั้งในบรรยากาศอากาศแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศคล้ายแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศก่อนที่จะหมดเพียงใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์และวงจรชีวิตสั้น ๆ ของข้อ จำกัด ให้คนเห็นนี้มีพลังงานทางทฤษฎีที่สูงมาก แบตเตอรี่ความหนาแน่นจะมาแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีอยู่แล้วและทำลายศักยภาพของคอขวดระยะทางไฟฟ้า
แบตเตอรี่ลิเธียมอากาศคืออะไร? แบตเตอรี่ลิเธียมอากาศและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคืออะไรแตกต่างกันอย่างไรทำไมแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศของการพัฒนานี้เป็นสิ่งสำคัญมาก? นี้เป็นครั้งแรกจากลิเธียมไอออนความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่ไม่สูงทำไมพูดคุย
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไกลโดยที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดของแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟ. มันถูกเรียกว่า "แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน" เพราะในแบตเตอรี่ไม่ว่าจะเรียกเก็บหรือปล่อยออกมาเป็นลิเธียมไอออน (Li +) กลับมาระหว่างสองขั้วไฟฟ้าในรูปแบบลิเธียมไอออนปัจจุบันถึงความจำเป็นในพื้นผิวขั้วไฟฟ้าดังกล่าว 'ฝัง' และมันเป็นสิ่งจำเป็นที่จะออกจาก 'deintercalating' เพื่อให้แน่ใจว่าดี 'ฝังตัว - deintercalation'. ปฏิกิริยา ขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มักจะกราไฟท์และขั้วลบโดยทั่วไปของสารประกอบของลิเธียม. ยกตัวอย่างเช่นในปัจจุบันได้รับความนิยมมากที่สุดในแคโทดสามหยวนลิเธียมแบตเตอรี่" นอกเหนือไปจากองค์ประกอบลิเธียม แต่ยังนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสสามโลหะ ธาตุที่เป็นส่วนผสมของนิกเกิลโคบอลต์ - แมงกานีส - manganate (LiNi 0.3ร่วม 0.3Mn 0.3O2) และนิกเกิลโคบอลต์และแมงกานีสมีน้ำหนักมากกว่าลิเทียม
ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแม้เพียงญาติค่าใช้จ่ายมวลอะตอมไอออนเพียงลิเธียม. 3 (เป็นน้ำหนักอะตอมของมวลอะตอมหนึ่ง 1/12 คาร์บอน) สามารถดำเนินการ 1 หน่วย แต่มีแคโทด สารประกอบลิเธียมประกอบเป็นความจำเป็นที่จะต้องหนักกว่านิกเกิลโคบอลต์, แมงกานีส, เหล็ก, ฟอสฟอรัส, อะตอมของคาร์บอนไป 'จัดเก็บ' เป็นลิเธียมไอออน. นี้จะส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในเชิงบวกต่อหน่วยก็จะให้เฉพาะในแคโทด 1 มวลโมเลกุลญาติของ 100 อาจจะใกล้เคียงกับ 'ยักษ์' บวกน้ำหนักของขั้วบวกและวัสดุอื่น ๆ และโครงสร้างความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่เคยขึ้นไป. นั่นคือเหตุผลที่ครึ่งตันแบกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน รถยนต์ไฟฟ้าระยะอยู่ไกลน้อยกว่าเหตุผลเดียวที่นอกเหนือจากหลายสิบลิตรของรถธรรมดาน้ำมันเบนซิน
มะเดื่อ Shu ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อเสถียร 'ที่อยู่อาศัย' ดำเนินการค่าใช้จ่ายลิเธียมไอออน (ลูกสีเทาในภาพวาด) เป็นจำนวนมากมีส่วนร่วมของโครงสร้างอื่น ๆ เช่นสารลิเธียม (สีฟ้า, สีแดงโครงสร้างสามมิติ) และกราไฟท์ ( โครงสร้างชั้นสีแดง), น้ำหนักอะตอมขององค์ประกอบเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าลิเธียมส่งผลให้ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มี จำกัด เสมอ. ในอุดมคติแบตเตอรี่ลิเธียมปรับอากาศทั้งหมดขององค์ประกอบเหล่านี้จะไม่จำเป็นเท่านั้น โลหะลิเธียมและออกซิเจนจากอากาศกระป๋อง!
แบตเตอรี่ลิเธียมอากาศที่แตกต่างกัน. ลิเธียมและลิเธียมไอออนแบตเตอรี่ต้องทำสารที่แตกต่างกันและขั้วไฟฟ้ากราไฟท์, แบตเตอรี่ลิเธียมอากาศสามารถนำมาใช้โดยตรงธาตุโลหะลิเธียม (Li) และออกซิเจนในอากาศ (O 2) ในฐานะที่เป็นขั้ว. ในกรณีที่ดีที่สุดแบตเตอรี่หมดลิเธียมเปอร์ออกไซด์ที่เกิดจากออกซิเจนธาตุลิเธียมออกไซด์ (Li 2O2) การสร้างกระแสในวงจรภายนอกเสียแล้วลงไปในลิเธียมเปอร์ออกไซด์ลิเธียมชาร์จและออกซิเจนเมื่อกระบวนการทั้งหมดโดยไม่ต้องมีมวลขนาดใหญ่ขององค์ประกอบอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องและแคโทดอาจนำมาใช้โดยตรงหรือแม้แต่น้ำหนักเล็กน้อยและค่าใช้จ่ายไม่รวมอากาศ.!
ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศสามารถบรรลุความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ในความเป็นจริงเนื่องจากลิเธียมเป็นธาตุโลหะที่เบาที่สุดในตารางธาตุออกซิเจนมาจากอากาศและแบตเตอรี่ลิเธียมมีไฟฟ้า ความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดในแบตเตอรี่เคมี - กล่าวคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนของหน่วยมวลสามารถเก็บและปล่อยพลังงานได้มากกว่าสื่อเก็บพลังงานไฟฟ้าอื่น ๆ ทั้งหมด
ลิเธียมที่ไม่ใช่ของเหลว - ความหนาแน่นของพลังงานทางทฤษฎีของแบตเตอรี่อากาศถึง 12kWh / กก. 5 ถึง 10 เท่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนธรรมดาเบนซินเกือบเกี่ยวกับ 13kWh / กก. ถ้าแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศเทียบเคียงสามารถในท้ายที่สุดออกสู่ตลาด ยานพาหนะไฟฟ้าจะมีช่วงการล่องเรือเช่นเดียวกับรถยนต์เบนซินซึ่งจะทำลายคอขวดของช่วงการล่องเรือที่เกิดจากความหนาแน่นพลังงานต่ำของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งมีความสำคัญอย่างมากต่อการพัฒนาพลังงานสะอาดในอนาคต
อย่างไรก็ตามนี่คือการวิเคราะห์ทางทฤษฎีทั้งหมดไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะบรรลุถึงสถานการณ์ที่เหมาะเช่นนี้
ก่อนหน้านี้แคโทดอากาศอาจจะเรียกได้ว่าเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศ แต่ทั้งหมดอาศัยอยู่กับสภาพแวดล้อมออกซิเจนบริสุทธิ์. นี้เป็นเพราะนอกเหนือไปจากออกซิเจนในอากาศไนโตรเจนคาร์บอนไดออกไซด์ไอน้ำจะมีส่วนร่วมในการทำปฏิกิริยาเพื่อให้กระบวนการกลายเป็นมาก ซับซ้อน. ลิเธียมออกไซด์ขั้วบวกแคโทดและปฏิกิริยาระหว่างลิเธียมไอออนและคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำในอากาศจะสร้างที่ไม่พึงประสงค์โดยผลิตภัณฑ์
เนื่องจากไฟฟ้า, อิเล็กโทรในปฏิกิริยาเคมีอื่น ๆ และคุณสมบัติทางเคมีของโลหะลิเธียมและออกซิเจนมีการใช้งานมากขึ้นวงจรชีวิตของแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศได้สั้นมาก. นอกจากนี้ออกซิเจนในอากาศแวดล้อมต้องใช้ลิเธียมจะต้องติดตั้งด้วยวิธีการจัดเก็บออกซิเจน ยกตัวอย่างเช่นถังออกซิเจนขนาดใหญ่ซึ่งจะช่วยให้แบตเตอรี่ลิเธียมอากาศคือความหนาแน่นพลังงานสูงโดยตรงออกซิเจนขนาดใหญ่และหนักถังเรียบและความจุของแบตเตอรี่ยังขึ้นอยู่กับความจุของขวดออกซิเจน. นอกจากนี้หากคุณต้องการไฟฟ้า แบตเตอรี่ลิเธียม - แอร์ถูกใช้ในรถยนต์ขวดออกซิเจนนอกเหนือจากน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นอย่างมากจะเพิ่มความเสี่ยงด้านความปลอดภัย
ในความเป็นจริงหากไม่ได้เพราะข้อบกพร่องดังกล่าวข้างต้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่อยู่ไม่ไกลโดยใช้ขั้วไฟฟ้าที่ซับซ้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศเป็นขั้วไฟฟ้าไม่สามารถได้รับเนื่องจากการใช้โดยตรงของสารง่ายๆลิเธียมโลหะในอากาศโดยตรงออกซิเจนที่จำเป็นนักวิทยาศาสตร์บางคนแม้จะโดยสิ้นเชิง แบตเตอรี่ลิเธียมอากาศเรียกว่า 'แบตเตอรี่ลิเธียมออกซิเจน'
หลังจากปีของการพัฒนาปัญหาเหล่านี้ได้รับเหมือนก้อนเมฆสีดำแขวนอยู่เหนือแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศไม่พูดถึงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในตลาดและการแข่งขัน. จนกระทั่งมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ชิคาโกอาร์กอนห้องปฏิบัติการแห่งชาติและมหาวิทยาลัยรัฐแคลิฟอร์เนียนอร์ท ความก้าวหน้าของโรงเรียนลิงได้นำความสว่างที่มีความหวังไปสู่การปฏิบัติงานที่ยอดเยี่ยมนี้ซึ่งมีอยู่เฉพาะในทางทฤษฎีเท่านั้น
เมื่อต้องการแก้ไขลิเธียม - แบตเตอรี่อากาศข้อบกพร่องร้ายแรงก็เป็นสิ่งจำเป็นที่จะหาวิธีที่จะป้องกันไม่ให้สารเคมีต่าง ๆ ที่มีอยู่ในอากาศ - ไนโตรเจนคาร์บอนไดออกไซด์ไอน้ำและส่วนผสมอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องในการเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงเหล่านี้มีปฏิกิริยาตอบสนองทางด้านอิเล็กโทรลิเธียมไอออนและอิเล็กโทร . ผลกระทบต่อการผลิตนักวิจัยผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์แก้ไขปัญหานี้การใช้คอมพิวเตอร์จำลอง (ความหนาแน่นของฟังก์ชั่นการวิเคราะห์) วิธีการและการศึกษาทดลองดำเนินการวิจัยในเชิงลึกและในที่สุดพวกเขาพบว่าคำตอบ: ในอิเล็กโทรลิเธียมโลหะ เพิ่มเลเยอร์ป้องกัน
หลักของเทคโนโลยีนี้คือขั้วบวกที่พวกเขาเพิ่มระดับของลิเธียมเป็นโลหะลิเธียม / คาร์บอนไดออกไซด์ (Lico 3/ C) องค์ประกอบของการเคลือบป้องกันความหนาแน่น
และกระบวนการเคลือบง่ายมาก: 10 รอบของค่าใช้จ่ายโดยตรงจากโลหะลิเธียมที่มีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากปฏิกิริยาทางเคมีที่พื้นผิวของขั้วไฟฟ้าที่ป้องกันไม่ให้ลิเธียมคาร์บอเนตสามารถจะแล้วเสร็จอื่น ๆ นอกเหนือจากลิเธียมไอออนเข้าไปในสารประกอบจึงปกป้องขั้วบวกไม่ โดยส่วนอื่น ๆ กว่ากลุ่มของออกซิเจนในอากาศให้เกิดความเสียหายในขณะที่บรรยากาศและลิเธียมคาร์บอเนตไม่เป็นธรรมชาติปฏิกิริยากับไอน้ำและอากาศเพื่อให้ชั้นป้องกันอาจจะไม่ได้มีส่วนร่วมในการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีของแบตเตอรี่ที่ไม่ ถูกทำลาย. ในการเคลือบป้องกันการเก็บรักษาอัตราส่วนรอบเดียวลิเธียมที่สูงเป็น 99.97% อย่างมีนัยสำคัญดีกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศไม่เคลือบผิว
รูปที่丨ชั้นป้องกันขั้วบวกหนาแน่น (แถบสเกล: เส้นสีเขียวในภาพมีความยาว 1 ไมครอน)
รูปที่ผ่าน Li
2CO
3 โมเลกุลออกซิเจนเคลือบ
เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของแบตเตอรี่นี้นักวิจัยได้ใช้ disulfide โมลิบดีนัม (MoS) ที่ได้รับรายงานจากการศึกษาอื่น ๆ ก่อนหน้านี้ 2) Nanosheet เป็นแคโทดและโดยใช้ 1 เอทิล-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (1 เอทิล-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, เอมิม-BF4) และ dimethyl sulfoxide (Dimethyl sulfoxide, DMSO ) สารผสมดังกล่าวเป็นอิเล็กโทรไลในการทำงานของขั้วบวกขั้วลบ, อิเล็กโทรไลแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศจะอยู่ในสภาพแวดล้อมที่อากาศจำลอง --79% ไนโตรเจน 21% ออกซิเจน 500 ส่วนในล้านคาร์บอนไดออกไซด์, และ 45% ญาติ ความชื้นอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส
หลังจากการทดสอบหลังจาก 700 รอบของค่าใช้จ่ายและจำหน่ายแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศไม่เป็นความล้มเหลวที่เกิดขึ้น. นี้ส่งผลกว่าที่หลายคนคาดว่าแม้บางส่วนของเทคโนโลยีที่มีถึงแบตเตอรี่ในเชิงพาณิชย์ผู้ใหญ่ (เช่นแบตเตอรี่ตะกั่วกรด) วงจรชีวิต
ทีมงานจึงมาถึงข้อสรุป: 'การป้องกันขั้วบวกลิเธียมอิเล็กโทรและมีส่วนผสมของผลการดำเนินงานแคโทดปรับอากาศทำงานร่วมกันภายใต้สภาพบรรยากาศจำลองอย่างมีประสิทธิภาพสามารถปรับปรุงลิเธียม - ระยะเวลาการทำงานของแบตเตอรี่อากาศ.
ในเวลาเดียวกัน, อาร์กอนห้องปฏิบัติการแห่งชาติยังคงปฏิกิริยาเซลล์นี้ดำเนินการแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อส่งเสริมความเข้าใจในกลไกการเกิดปฏิกิริยาเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ในอนาคตให้การสนับสนุนทางทฤษฎีสำหรับอนาคตการค้าที่มีศักยภาพ
มันควรจะตั้งข้อสังเกตว่าแม้การศึกษาจากการใช้งานทางธุรกิจยังคงห่างไกลจากความหนาแน่นของพลังงานที่ดีที่สุดคือยังไม่ได้เป็นระยะทางขนาดเล็ก แต่ก็ไม่สงสัยล่วงหน้าอย่างมีนัยสำคัญในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศ
งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศก็สามารถป้องกันการรบกวนจากก๊าซอื่น ๆ ที่ได้รับออกซิเจนได้โดยตรงจากอากาศในสภาพแวดล้อมที่เป็นก๊าซที่คล้ายกันจากการพึ่งพาในอุปกรณ์จัดเก็บออกซิเจน แต่ยังคงมีวงจรชีวิตยาว. นี้ไม่ต้องสงสัยช่วยเพิ่ม นักวิจัยและอุตสาหกรรมเชื่อมั่นในการพัฒนาแบตเตอรี่เทคโนโลยีการปฏิวัติในอนาคตนี้:
เนื่องจากปัญหาที่สำคัญที่สุดมีวิธีการแก้ปัญหาที่ชัดเจนและส่วนที่เหลือก็อาจไม่เป็นปัญหาร้ายแรง! บางทีอีกไม่นานนักวิจัยจะสามารถที่จะผลิตความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนปัจจุบัน แบตเตอรี่ใหม่และเรื่องนี้จะต้องเปลี่ยนโครงสร้างพลังงานที่มีอยู่อย่างสมบูรณ์
