01 Apa itu baterai lithium-air dan baterai lithium-sulfur?
① Baterai li-air
Baterai lithium-air menggunakan oksigen sebagai reaktan elektroda positif dan lithium logam sebagai elektroda negatif.Ini memiliki kepadatan energi teoretis yang tinggi (3500wh/kg), dan kepadatan energi aktualnya dapat mencapai 500-1000wh/kg, yang jauh lebih tinggi daripada sistem baterai lithium-ion konvensional.Baterai lithium-air terdiri dari elektroda positif, elektrolit, dan elektroda negatif.Dalam sistem baterai non-air, oksigen murni saat ini digunakan sebagai gas reaksi, sehingga baterai lithium-air juga dapat disebut baterai lithium-oksigen.
Pada tahun 1996, Abraham dkk.berhasil merakit baterai lithium-air non-aqueous pertama di laboratorium.Kemudian para peneliti mulai memperhatikan reaksi elektrokimia internal dan mekanisme baterai lithium-air non-aqueous;pada tahun 2002, Baca et al.menemukan bahwa kinerja elektrokimia baterai lithium-air tergantung pada bahan pelarut elektrolit dan katoda udara;pada tahun 2006, Ogasawara et al.menggunakan spektrometer Massa, terbukti untuk pertama kalinya bahwa Li2O2 teroksidasi dan oksigen dilepaskan selama pengisian, yang menegaskan reversibilitas elektrokimia Li2O2.Oleh karena itu, baterai lithium-air telah menerima banyak perhatian dan perkembangan pesat.
② Baterai lithium-sulfur
Baterai lithium-sulfur adalah sistem baterai sekunder berdasarkan reaksi reversibel sulfur kapasitas spesifik tinggi (1675mAh/g) dan logam lithium (3860mAh/g), dengan tegangan pelepasan rata-rata sekitar 2,15V.Kepadatan energi teoretisnya bisa mencapai 2600wh/kg.Bahan bakunya memiliki keunggulan biaya rendah dan ramah lingkungan, sehingga memiliki potensi pengembangan yang besar.Penemuan baterai lithium-sulfur dapat ditelusuri kembali ke tahun 1960-an, ketika Herbert dan Ulam mengajukan paten baterai.Prototipe baterai lithium-sulfur ini menggunakan lithium atau paduan lithium sebagai bahan elektroda negatif, belerang sebagai bahan elektroda positif dan terdiri dari amina jenuh alifatik.elektrolit.Beberapa tahun kemudian, baterai lithium-sulfur diperbaiki dengan memperkenalkan pelarut organik seperti PC, DMSO, dan DMF, dan baterai 2.35-2.5V diperoleh.Pada akhir 1980-an, eter terbukti bermanfaat dalam baterai litium-sulfur.Dalam studi selanjutnya, penemuan elektrolit berbasis eter, penggunaan LiNO3 sebagai aditif elektrolit, dan usulan elektroda positif komposit karbon/sulfur telah membuka ledakan penelitian baterai lithium-sulfur.
02 Prinsip kerja baterai lithium-air dan baterai lithium-sulfur
① Baterai li-air
Menurut keadaan berbeda dari elektrolit yang digunakan, baterai lithium-air dapat dibagi menjadi sistem berair, sistem organik, sistem hibrida air-organik, dan baterai lithium-udara semua keadaan padat.Diantaranya, karena rendahnya kapasitas spesifik baterai lithium-air yang menggunakan elektrolit berbasis air, kesulitan dalam melindungi logam lithium, dan reversibilitas sistem yang buruk, baterai lithium-air organik non-air dan lithium-air keadaan padat. baterai lebih banyak digunakan saat ini.Riset.Baterai lithium-air non-aqueous pertama kali diusulkan oleh Abraham dan Z.Jiang pada tahun 1996. Persamaan reaksi pelepasan ditunjukkan pada Gambar 1. Reaksi pengisian adalah kebalikannya.Elektrolit terutama menggunakan elektrolit organik atau elektrolit padat, dan produk pelepasan terutama Li2O2, produk tidak larut dalam elektrolit, dan mudah terakumulasi pada elektroda positif udara, yang mempengaruhi kapasitas pelepasan baterai lithium-air.
Baterai lithium-air memiliki keunggulan kepadatan energi yang sangat tinggi, ramah lingkungan, dan harga murah, tetapi penelitian mereka masih dalam tahap awal, dan masih banyak masalah yang harus diselesaikan, seperti katalisis reaksi reduksi oksigen, permeabilitas oksigen dan hidrofobisitas elektroda udara, dan penonaktifan elektroda udara dll.
② Baterai lithium-sulfur
Baterai litium-sulfur terutama menggunakan unsur belerang atau senyawa berbasis belerang sebagai bahan elektroda positif baterai, dan litium logam terutama digunakan untuk elektroda negatif.Selama proses pelepasan, litium logam yang terletak di elektroda negatif dioksidasi untuk melepaskan elektron dan menghasilkan ion litium;kemudian elektron ditransfer ke elektroda positif melalui sirkuit eksternal, dan ion litium yang dihasilkan juga ditransfer ke elektroda positif melalui elektrolit untuk bereaksi dengan belerang membentuk polisulfida.Litium (LiPS), dan kemudian bereaksi lebih lanjut untuk menghasilkan litium sulfida untuk menyelesaikan proses pelepasan.Selama proses pengisian, ion litium dalam LiPS kembali ke elektroda negatif melalui elektrolit, sementara elektron kembali ke elektroda negatif melalui sirkuit eksternal untuk membentuk logam litium dengan ion litium, dan LiPS direduksi menjadi belerang pada elektroda positif untuk melengkapi pengisian. proses pengisian.
Proses pelepasan baterai litium-sulfur terutama merupakan reaksi elektrokimia kompleks multi-langkah, multi-elektron, multi-fase pada katoda belerang, dan LiPS dengan panjang rantai yang berbeda diubah menjadi satu sama lain selama proses pelepasan muatan.Selama proses pelepasan, reaksi yang mungkin terjadi pada elektroda positif ditunjukkan pada Gambar 2, dan reaksi pada elektroda negatif ditunjukkan pada Gambar 3.
Keunggulan baterai lithium-sulfur sangat jelas, seperti kapasitas teoretis yang sangat tinggi;tidak ada oksigen dalam material, dan reaksi evolusi oksigen tidak akan terjadi, sehingga kinerja keselamatannya bagus;sumber daya belerang melimpah dan unsur belerang murah;itu ramah lingkungan dan memiliki toksisitas rendah.Namun, baterai litium-sulfur juga memiliki beberapa masalah yang menantang, seperti efek antar-jemput litium polisulfida;isolasi unsur belerang dan produk pelepasannya;masalah perubahan volume besar;SEI yang tidak stabil dan masalah keamanan yang disebabkan oleh anoda litium;fenomena self-discharge, dll.
Sebagai generasi baru dari sistem baterai sekunder, baterai lithium-air dan baterai lithium-sulfur memiliki nilai kapasitas spesifik teoretis yang sangat tinggi, dan telah menarik perhatian luas dari para peneliti dan pasar baterai sekunder.Saat ini, kedua baterai ini masih menghadapi banyak masalah ilmiah dan teknis.Mereka berada dalam tahap penelitian awal pengembangan baterai.Selain kapasitas spesifik dan stabilitas bahan katoda baterai yang perlu ditingkatkan lebih lanjut, masalah utama seperti keamanan baterai juga perlu segera diselesaikan.Kedepannya, kedua jenis baterai baru ini masih memerlukan perbaikan teknis secara terus menerus untuk menghilangkan cacatnya guna membuka prospek aplikasi yang lebih luas.
Waktu posting: Apr-07-2023