01 Pin lithium-không khí và pin lithium-lưu huỳnh là gì?
① Pin Li-không khí
Pin lithium-không khí sử dụng oxy làm chất phản ứng điện cực dương và lithium kim loại làm điện cực âm.Nó có mật độ năng lượng lý thuyết cao (3500wh/kg) và mật độ năng lượng thực tế của nó có thể đạt tới 500-1000wh/kg, cao hơn nhiều so với hệ thống pin lithium-ion thông thường.Pin lithium-không khí bao gồm các điện cực dương, chất điện phân và điện cực âm.Trong các hệ thống pin không chứa nước, oxy nguyên chất hiện được sử dụng làm khí phản ứng, vì vậy pin lithium-không khí còn có thể được gọi là pin lithium-oxy.
Năm 1996, Abraham et al.lắp ráp thành công pin lithium-không khí không chứa nước đầu tiên trong phòng thí nghiệm.Sau đó, các nhà nghiên cứu bắt đầu chú ý đến cơ chế và phản ứng điện hóa bên trong của pin lithium-không khí không chứa nước;vào năm 2002, Đọc và cộng sự.phát hiện ra rằng hiệu suất điện hóa của pin lithium-không khí phụ thuộc vào dung môi điện phân và vật liệu catốt không khí;năm 2006, Ogasawara và cộng sự.đã sử dụng Máy quang phổ khối, lần đầu tiên người ta chứng minh được rằng Li2O2 bị oxy hóa và oxy được giải phóng trong quá trình sạc, điều này khẳng định khả năng đảo ngược điện hóa của Li2O2.Do đó, pin lithium-không khí đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và phát triển nhanh chóng.
② Pin lithium-lưu huỳnh
Pin lithium-lưu huỳnh là hệ thống pin thứ cấp dựa trên phản ứng thuận nghịch của lưu huỳnh dung lượng riêng cao (1675mAh/g) và kim loại lithium (3860mAh/g), với điện áp xả trung bình khoảng 2,15V.Mật độ năng lượng lý thuyết của nó có thể đạt tới 2600wh/kg.Nguyên liệu thô của nó có lợi thế về chi phí thấp và thân thiện với môi trường, vì vậy nó có tiềm năng phát triển lớn.Việc phát minh ra pin lithium-lưu huỳnh có thể bắt nguồn từ những năm 1960, khi Herbert và Ulam đăng ký bằng sáng chế pin.Nguyên mẫu của pin lithium-lưu huỳnh này sử dụng lithium hoặc hợp kim lithium làm vật liệu điện cực âm, lưu huỳnh làm vật liệu điện cực dương và bao gồm các amin bão hòa béo.của chất điện phân.Vài năm sau, pin lithium-lưu huỳnh đã được cải tiến bằng cách sử dụng các dung môi hữu cơ như PC, DMSO và DMF, và đã thu được pin 2,35-2,5V.Vào cuối những năm 1980, ete đã được chứng minh là hữu ích trong pin lithium-lưu huỳnh.Trong các nghiên cứu tiếp theo, việc phát hiện ra chất điện phân dựa trên ether, việc sử dụng LiNO3 làm chất phụ gia cho chất điện phân và đề xuất về các điện cực dương hỗn hợp carbon/lưu huỳnh đã mở ra sự bùng nổ nghiên cứu về pin lithium-lưu huỳnh.
02 Nguyên lý hoạt động của pin lithium-không khí và pin lithium-lưu huỳnh
① Pin Li-không khí
Theo các trạng thái khác nhau của chất điện phân được sử dụng, pin lithium-không khí có thể được chia thành các hệ thống nước, hệ thống hữu cơ, hệ thống lai hữu cơ nước và pin lithium-không khí hoàn toàn ở trạng thái rắn.Trong số đó, do dung lượng riêng thấp của pin lithium-không khí sử dụng chất điện phân gốc nước, khó bảo vệ kim loại lithium và khả năng đảo ngược của hệ thống kém, pin lithium-không khí hữu cơ không chứa nước và pin lithium-không khí hoàn toàn ở trạng thái rắn pin được sử dụng rộng rãi hơn hiện nay.Nghiên cứu.Pin lithium-không khí không chứa nước lần đầu tiên được đề xuất bởi Abraham và Z.Jiang vào năm 1996. Phương trình phản ứng phóng điện được thể hiện trong Hình 1. Phản ứng sạc ngược lại.Chất điện phân chủ yếu sử dụng chất điện phân hữu cơ hoặc chất điện phân rắn, và sản phẩm phóng điện chủ yếu là Li2O2, sản phẩm này không hòa tan trong chất điện phân và dễ tích tụ trên điện cực dương không khí, ảnh hưởng đến khả năng phóng điện của pin lithium-không khí.
Pin lithium-không khí có ưu điểm là mật độ năng lượng cực cao, thân thiện với môi trường và giá rẻ, nhưng nghiên cứu của chúng vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết, chẳng hạn như xúc tác phản ứng khử oxy, tính thấm oxy và tính kỵ nước của các điện cực không khí, và vô hiệu hóa các điện cực không khí, v.v.
② Pin lithium-lưu huỳnh
Pin lithium-lưu huỳnh chủ yếu sử dụng lưu huỳnh nguyên tố hoặc các hợp chất gốc lưu huỳnh làm vật liệu điện cực dương của pin và lithium kim loại chủ yếu được sử dụng cho điện cực âm.Trong quá trình phóng điện, lithium kim loại nằm ở điện cực âm bị oxy hóa để mất một electron và tạo ra các ion lithium;sau đó các electron được chuyển đến điện cực dương thông qua mạch ngoài và các ion lithium được tạo ra cũng được chuyển đến điện cực dương thông qua chất điện phân để phản ứng với lưu huỳnh tạo thành polysulfide.Lithium (LiPSs), sau đó phản ứng thêm để tạo ra lithium sulfide để hoàn tất quá trình phóng điện.Trong quá trình sạc, các ion lithium trong LiPS quay trở lại điện cực âm thông qua chất điện phân, trong khi các electron quay trở lại điện cực âm thông qua mạch ngoài để tạo thành kim loại lithium với các ion lithium và LiPS bị khử thành lưu huỳnh ở điện cực dương để hoàn thành quá trình sạc. quá trình sạc.
Quá trình phóng điện của pin lithium-lưu huỳnh chủ yếu là phản ứng điện hóa phức hợp nhiều bước, nhiều electron, nhiều pha trên cực âm lưu huỳnh và các LiPS có độ dài chuỗi khác nhau được chuyển hóa lẫn nhau trong quá trình phóng điện.Trong quá trình phóng điện, phản ứng có thể xảy ra ở điện cực dương được thể hiện trong Hình 2 và phản ứng ở điện cực âm được thể hiện trong Hình 3.
Ưu điểm của pin lithium-lưu huỳnh là rất rõ ràng, chẳng hạn như dung lượng lý thuyết rất cao;không có oxy trong vật liệu và phản ứng tạo oxy sẽ không xảy ra, vì vậy hiệu suất an toàn là tốt;nguồn lưu huỳnh dồi dào và lưu huỳnh nguyên tố rẻ;nó thân thiện với môi trường và có độc tính thấp.Tuy nhiên, pin lithium-lưu huỳnh cũng có một số vấn đề thách thức, chẳng hạn như hiệu ứng con thoi polysulfide lithium;lớp cách nhiệt của lưu huỳnh nguyên tố và các sản phẩm phóng điện của nó;vấn đề thay đổi khối lượng lớn;SEI không ổn định và các vấn đề an toàn do cực dương lithium gây ra;hiện tượng tự phóng điện, v.v.
Là một thế hệ mới của hệ thống pin thứ cấp, pin lithium-không khí và pin lithium-lưu huỳnh có giá trị dung lượng cụ thể theo lý thuyết rất cao và đã thu hút được sự chú ý rộng rãi của các nhà nghiên cứu và thị trường pin thứ cấp.Hiện tại, hai loại pin này vẫn đang phải đối mặt với nhiều vấn đề khoa học và kỹ thuật.Họ đang trong giai đoạn nghiên cứu ban đầu về phát triển pin.Ngoài công suất cụ thể và độ ổn định của vật liệu catốt pin cần được cải thiện hơn nữa, các vấn đề chính như an toàn pin cũng cần được giải quyết khẩn cấp.Trong tương lai, hai loại pin mới này vẫn cần không ngừng cải tiến kỹ thuật để loại bỏ những khiếm khuyết nhằm mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi hơn.
Thời gian đăng: 07-04-2023