Un artículo para comprender los principios básicos de las baterías de litio-aire y las baterías de litio-azufre

01 ¿Qué son las baterías de litio-aire y las baterías de litio-azufre?

① batería de litio-aire

La batería de litio-aire utiliza oxígeno como reactivo de electrodo positivo y litio metálico como electrodo negativo.Tiene una alta densidad de energía teórica (3500wh/kg), y su densidad de energía real puede alcanzar 500-1000wh/kg, que es mucho más alta que el sistema de batería de iones de litio convencional.Las baterías de litio-aire se componen de electrodos positivos, electrolitos y electrodos negativos.En los sistemas de baterías no acuosas, actualmente se utiliza oxígeno puro como gas de reacción, por lo que las baterías de litio-aire también pueden denominarse baterías de litio-oxígeno.

En 1996, Abraham et al.Ensambló con éxito la primera batería de litio-aire no acuosa en el laboratorio.Luego, los investigadores comenzaron a prestar atención a la reacción electroquímica interna y al mecanismo de las baterías de litio-aire no acuosas;en 2002, Leer et al.descubrió que el rendimiento electroquímico de las baterías de litio-aire dependía del solvente electrolítico y los materiales del cátodo de aire;en 2006, Ogasawara et al.El espectrómetro de masas utilizado demostró por primera vez que el Li2O2 se oxidaba y se liberaba oxígeno durante la carga, lo que confirmó la reversibilidad electroquímica del Li2O2.Por lo tanto, las baterías de litio-aire han recibido mucha atención y un rápido desarrollo.

② Batería de litio-azufre

 La batería de litio-azufre es un sistema de batería secundario basado en la reacción reversible de azufre de alta capacidad específica (1675 mAh/g) y metal de litio (3860 mAh/g), con un voltaje de descarga promedio de aproximadamente 2,15 V.Su densidad de energía teórica puede alcanzar 2600wh/kg.Sus materias primas tienen las ventajas de bajo costo y respeto al medio ambiente, por lo que tiene un gran potencial de desarrollo.La invención de las baterías de litio-azufre se remonta a la década de 1960, cuando Herbert y Ulam solicitaron una patente de batería.El prototipo de esta batería de litio-azufre utilizaba litio o aleación de litio como material del electrodo negativo, azufre como material del electrodo positivo y compuesto de aminas alifáticas saturadas.de electrolitoUnos años más tarde, se mejoraron las baterías de litio-azufre mediante la introducción de solventes orgánicos como PC, DMSO y DMF, y se obtuvieron baterías de 2.35-2.5V.A fines de la década de 1980, se demostró que los éteres eran útiles en las baterías de litio-azufre.En estudios posteriores, el descubrimiento de electrolitos a base de éter, el uso de LiNO3 como aditivo de electrolitos y la propuesta de electrodos positivos compuestos de carbono/azufre han abierto el auge de la investigación de las baterías de litio-azufre.

02 Principio de funcionamiento de la batería de litio-aire y la batería de litio-azufre

① batería de litio-aire

De acuerdo con los diferentes estados del electrolito utilizado, las baterías de litio-aire se pueden dividir en sistemas acuosos, sistemas orgánicos, sistemas híbridos agua-orgánicos y baterías de litio-aire de estado sólido.Entre ellos, debido a la baja capacidad específica de las baterías de litio-aire que utilizan electrolitos a base de agua, las dificultades para proteger el litio metálico y la poca reversibilidad del sistema, las baterías de litio-aire orgánicas no acuosas y las baterías de litio-aire de estado sólido. Las baterías son más ampliamente utilizadas en la actualidad.Investigación.Las baterías de aire-litio no acuosas fueron propuestas por primera vez por Abraham y Z.Jiang en 1996. La ecuación de reacción de descarga se muestra en la Figura 1. La reacción de carga es opuesta.El electrolito utiliza principalmente electrolito orgánico o electrolito sólido, y el producto de descarga es principalmente Li2O2, el producto es insoluble en el electrolito y es fácil de acumular en el electrodo positivo de aire, lo que afecta la capacidad de descarga de la batería de litio-aire.

1

Las baterías de litio-aire tienen las ventajas de densidad de energía ultra alta, respeto al medio ambiente y bajo precio, pero su investigación aún está en pañales y todavía hay muchos problemas por resolver, como la catálisis de la reacción de reducción de oxígeno, el permeabilidad al oxígeno e hidrofobicidad de los electrodos de aire, y la desactivación de los electrodos de aire, etc.

② Batería de litio-azufre

Las baterías de litio-azufre utilizan principalmente azufre elemental o compuestos a base de azufre como material de electrodo positivo de la batería, y el litio metálico se utiliza principalmente para el electrodo negativo.Durante el proceso de descarga, el litio metálico ubicado en el electrodo negativo se oxida para perder un electrón y generar iones de litio;luego, los electrones se transfieren al electrodo positivo a través del circuito externo y los iones de litio generados también se transfieren al electrodo positivo a través del electrolito para reaccionar con el azufre y formar polisulfuro.Litio (LiPS), y luego reaccionar para generar sulfuro de litio para completar el proceso de descarga.Durante el proceso de carga, los iones de litio en los LiPS regresan al electrodo negativo a través del electrolito, mientras que los electrones regresan al electrodo negativo a través de un circuito externo para formar litio metálico con iones de litio, y los LiPS se reducen a azufre en el electrodo positivo para completar el proceso. proceso de carga

El proceso de descarga de las baterías de litio-azufre es principalmente una reacción electroquímica compleja de varios pasos, varios electrones y varias fases en el cátodo de azufre, y los LiPS con diferentes longitudes de cadena se transforman entre sí durante el proceso de carga y descarga.Durante el proceso de descarga, la reacción que puede ocurrir en el electrodo positivo se muestra en la Figura 2 y la reacción en el electrodo negativo se muestra en la Figura 3.

2 y 3

Las ventajas de las baterías de litio-azufre son muy obvias, como una capacidad teórica muy alta;no hay oxígeno en el material y no se producirá una reacción de evolución de oxígeno, por lo que el rendimiento de seguridad es bueno;los recursos de azufre son abundantes y el azufre elemental es barato;es respetuoso con el medio ambiente y tiene baja toxicidad.Sin embargo, las baterías de litio-azufre también tienen algunos problemas desafiantes, como el efecto de lanzadera de polisulfuro de litio;el aislamiento de azufre elemental y sus productos de descarga;el problema de los cambios de gran volumen;el SEI inestable y los problemas de seguridad causados ​​por los ánodos de litio;fenómeno de autodescarga, etc.

Como una nueva generación de sistemas de baterías secundarias, las baterías de litio-aire y las baterías de litio-azufre tienen valores de capacidad específica teórica muy altos y han atraído la atención de los investigadores y del mercado de baterías secundarias.En la actualidad, estas dos baterías todavía enfrentan muchos problemas científicos y técnicos.Se encuentran en la etapa inicial de investigación del desarrollo de baterías.Además de la necesidad de mejorar aún más la capacidad y la estabilidad específicas del material del cátodo de la batería, también es necesario resolver con urgencia problemas clave como la seguridad de la batería.En el futuro, estos dos nuevos tipos de baterías aún necesitan mejoras técnicas continuas para eliminar sus defectos y abrir perspectivas de aplicación más amplias.


Hora de publicación: 07-abr-2023