Lithium - Luft-Batterie Alter Wird Es Kommen?

- Jul 25, 2017-

Mit der Entwicklung der Gesellschaft Wissenschaft und Technologie, sind die Grundbedürfnisse der Menschen von der Unterstützung der Energie untrennbar miteinander verbunden. Von kleine Gegenstände wie Mobiltelefone und Laptop-Computern, zu transportieren, usw., sind zu einem unverzichtbaren Teil des Lebens der Menschen geworden. Obwohl Rohöl und andere traditionelle Energie mit energieeffizienten Ausgabefähigkeit, aber seine unfreundlich an die Umgebung (wie zB eine große Kohlendioxid-Emissionen) und eine Reihe von Unzulänglichkeiten worden sind, die heutige Gesellschaft kann das Problem nicht ignorieren. Und neue Energiequellen wie Sonne, Wind, usw., obwohl ein großes Potenzial hat, aber wegen seiner Verwendung der Zeitabhängigkeit der Umwelt ist stark, und deshalb müssen auch weiterhin für einige der Funktionen der elektronischen Vorrichtung (wie ein Auto, etc.) zu qualifizieren bleibt eine Herausforderung. So eine Unterstützung dieser Kräfte zu erreichen auf elektronischen Speichermedien angewiesen wird verbessert, die auf verschiedene Bereiche angewandt wird, mit unterschiedlicher Größe der Batterie.


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In diesem letzten Jahren haben Wissenschaftler eine große Anzahl von Batterien untersucht, wie Alkali-Batterien (wie Fe / Ni-Batterie und Zn / Mn-Batterie), eine herkömmliche Blei-Säure-Batterie, eine Lithium-Schwefel-Batterie, viel Aufmerksamkeit und Lithium-Ionen-Batterien. Im Vergleich zu anderen Batterien, Lithium-Ionen-Batterien haben, um Menschen aller Altersgruppen der Lage gewesen, weil es eine große spezifische Energie, hohe Betriebsspannung, lange Lebensdauer, geringe Selbstentladung und keine Memory-Grün, etc. werden in Mobiltelefonen weit verbreitet und Notebook-Computer, ist auch die ideale Wahl für die nächste Generation-Plug-in-Hybriden und Elektrofahrzeuge.

Eine Lithium-Ionen-Batterie, die ein ähnlichen Schaukelstuhl arbeitet, Li + Ladungs-Entladungs-Prozess hin und her zwischen positiven und negativer Verwendung schüttelt von Seite zu Seite, um den Hin- und Zyklus der Ladungsentladung der Batterie. Aufgrund einer Vielzahl von unterschiedlichen Materialien für elektrochemische Energiespeichersysteme und Design, sind technische Indikatoren auch anders. Japans New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) von Li-EAD plant, eine Hochleistungs-Batterieanzeige zur Einrichtung im Jahr 2030 700Wh / kg erreicht. Derzeit Lithium-Ionen-Batterien kann das Ziel nicht erreichen, während ein Lithium - theoretische Energiedichte Luft-Batterien berechnet wurde, kann 12000Wh / kg erreichen überschritten das Ziel NEDO vorgeschlagen. Bevor wir auf Lithium-Luft-Batterie erarbeiten, lassen Sie uns kurz Lithium-Ionen-Akku einführen.

Prinzipien einer Lithium-Ionen-Batterie1500869980861001393.jpg

Eine Lithiumionen-Batterie besteht aus drei Teilen: eine positive Elektrode (gewöhnlich Lithiumkobaltoxid und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Verbindung, Lithiummanganat mit Spinellstruktur, Lithiumeisenphosphat aus Olivin-Struktur, mit einer geschichteten Struktur), die negative Elektrode (in der Regel Graphit Schicht) und ein Elektrolyt, bei dem eine Redoxreaktion in dem positiven und negativen Elektrolyt-Ionentransport als Übertragungsmedium auftritt. Insbesondere während der Entladung, Lithium-Ionen in dem elektrischen Feld im Inneren des Fußes durch den Elektrolyten auf die positive Elektrode, die negative Elektrode während entkommen Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis der positiven Elektrode (insbesondere Einlagerungsreaktion können interessierte Studenten Google [ 3]). In dem Elektronentransport von der Kathode zur Anode Prozess funktionieren wird, wird diese Funktion verwendet, um die elektronische Vorrichtung mit Strom zu versorgen, die Arbeit zu unterstützen. Wie der Name schon sagt, ist der Ladevorgang der umgekehrte Vorgang des Entladevorgangs.

Die Haupteinschränkung der Lithium-Ionen-Batterie

Faktoren haben viele Lithium-Ionen, wie Temperatur, schnelle Ladung und Entladung, der theoretischen Kapazität des Materials und der Energiedichte. Wobei die theoretische Kapazität und Energiedichte sind zwei Hauptaspekte der Lithium-Ionen-Batterie zu begrenzen. Hier zunächst wir ein wichtiges Konzept - Energiedichte (Energiedichte). Energiedichte, die auch als spezifische Energie bekannt ist, ist die schriftliche Erklärung der Größe der gespeicherten Energie in einem bestimmten Raum oder Materialqualität, populäre Punkt, der Masse enthielt pro Volumeneinheit oder Einheit der Energie bezieht. In der Batterieindustrie, wird es oft verwendet, um das Basisgewicht der Speicherbatterieleistung zu vergleichen. Bestehenden kommerziellen Batterien wie beispielsweise eine relativ hohe Energiedichte Lithium-Ionen-Akku, dessen Energiedichte von etwa 500Wh / kg, wie zuvor beschrieben, ist dies nicht ausreichend ist, Benzin Energiedichte (Energiedichte von etwa 13 000Wh / kg) zu ersetzen, verwendet, Kraftfahrzeug zu implementieren reine Elektrotechnologie.

Kein Schaden keinen Vergleich, herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie Energiedichte (0,05-0,1 kWh / kg), mit einer Energiedichte von nur Benzinauto (13 kwh / kg, Chevrolet Volt) weniger als 1%! Im Vergleich zu herkömmlichen Energiequellen so ineffizient Lithium-Ionen-Batterie Warum ist es so Menschen aller Altersgruppen und Anerkennung davon?

Diese Struktur Rede von einem Lithium-Ionen-Akku. Eine sorgfältige Leser haben bemerkt, in Abbildung 1, die positiven und negativen Stil nicht das gleiche scheint. Zum Beispiel Flockten einig negativ, einige positiven Rahmen blaue Ziegel, aber diese sind nicht der Punkt, es ist nur der Autor will unterschiedliches konstituierendes positives und negatives Material darzustellen. Aber sie gemeinsam haben, ist die grünen Bohnen wie Lithium-Ionen-geordneten Warteschlange befinden. Dies ist, weil die Migration durch die Elektrolyten zu der negativen Elektrode während der Lithiumionen, Lithiumionen mit einigen der früheren Ankunft fusionieren. Wenn nicht die Schichtstruktur, werden die Lithiumionen an erster Stelle zunächst eine Kristallstruktur served bilden, Dendriten akademische genannt. Diese Kristalle wachsen schneller als die positive und negative Unicom, die gesamte Batterie von internen Kurzschlüssen. Beliebte Gespräch wie wir alle am Eingang stoppen weigerte sich, die Ergebnisse einer großen Stau durch lange Leitungen verursacht zu geben. Positive und negative Elektroden ist eine geschichtete Struktur, die eine geordnete Speicherung dieser Funktionen zu unterschiedlichen Ankunftszeiten von Lithiumionen, wie Park spielt. Somit wird die Schichtstruktur mit positiven und negativen geordneten unverzichtbar (Fig. 2) für die wiederaufladbare Batterie. Aber das Anodenmaterial und ein Elektrolyt und die Entladung von Energie nicht während der Abgabestelle verabreicht. Deshalb ist die Belastung für die Gesamtenergiedichte der Batterie.

Geordnete Schichtstruktur kann ein Lithium-Ionen speichern, Dendrit-Bildung zu verhindern.

Wirkung der Lithium-Ionen-Batterie Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Kapazität des Elektrodenmaterials selbst ist, wird darauf hingewiesen, dass ein wichtiger Teil der positiven Elektrode aus Lithium-Ionen-Batterie, seine Leistung weitgehend die ultimative Leistung der Batterie, Lithium-Ionen-Batterien in vielen bestimmt es ist eng mit den bedeutenden technologischen Fortschritten im Zusammenhang und Technologie, um Kathodenmaterial zu verbessern. Kann zum praktischen Anwendung bekannten Kathodenmaterialien umfasst Lithiumcobaltat und eine Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Verbindung, Lithiummanganat mit Spinellstruktur, Lithiumeisenphosphat aus Olivin-Struktur der Schichtstruktur gesetzt werden. Doch mit der wachsenden globalen Nachfrage am Markt für Elektrofahrzeuge, Lithium-Ionen-Batterie-Entwicklung wird stark behindert liegt seine Entwicklung Engpass, wie die positive Elektrodenmaterial Ladungs- und Entladungskapazität zu erhöhen, die hohe Energiedichte, hohe Ladungs gerecht zu werden und Kraft entladen Anforderungen. Mit den aktuellen kommerziellen Kohlenstoffanodenmaterialien verglichen (die tatsächliche spezifische Kapazität von 330-360 mAh / g), der Ist-Wert der spezifischen Kapazität der positiven Elektrode in Gebrauch nur 120 bis Material gebracht worden 250 mAh / zwischen g, bleibt der Wert viel niedriger die Kapazität des negativen Elektrodenmaterials, die relativ niedrige spezifische Kapazität / Energiedichte Kathodenmaterialien der vorliegenden Situation ist es der wichtigste Faktor die Vorwärts Lithium-Ionen-Batterie zu beschränken. Zweitens ist die Materialkosten der positiven Elektrode ist ein wichtiger Faktor für die Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, zu beeinflussen. Im allgemeinen erfordert die Herstellung der positiven Elektrodenmaterialien, die Verwendung von großen Mengen von seltenen Übergangsmetallen (wie Kobalt, Nickel, etc.). Auf der einen Seite, Kobalt, Nickel und anderen Metallreserven sind begrenzt Ressourcen auf der Erde, ist es nicht geeignet für großflächige Bergbau und der Einsatz von übermäßigem Verbrauch (im Gegensatz zur nationalen Strategie für eine nachhaltige Entwicklung), andererseits die Verwendung der Herstellungskosten von seltenen Metallelementen erheben sie die Batterie ist in der Zukunft hochleistungsfähigen Groß Popularisierung einer Lithiumionen-Batterie verwendet wird (beispielsweise auf dem Gebiet der praktischen Anwendung der Energiespeicherstation, etc.) nicht förderlich. Darüber hinaus wäre die umfangreiche Verwendung von Schwermetallen im Boden Kobalt, Nickel, Mangan, Wasser und andere Umgebungen haben einen größeren Schaden, und von Menschen, Tiere und Pflanzen stellen eine ernsthafte Bedrohung.

Lösungen

Allerdings ist das Verfahren besser als mehr Probleme, um weiter die Energiedichte wiederaufladbare Batterien zu verbessern, um das Gewicht der Batterie verringert ein Durchbruch worden. Während vorübergehend nicht in der Lage, ein Material mit höherer Energie als Lithium-Metall-Masse-Verhältnis zu finden, aber wir können eine ganze Batterie von dünnem Gewichtsverlust geben, wodurch die Gesamtenergiedichte der Batterie zu verbessern. Lithium ist das repräsentativste - die Luft-Batterie. Lithium - theoretische Dichte Luft-Batterie Energie wurde berechnet 12000Wh / kg zu erreichen, das ausreichend ist, um ein sehr hohe Energiedichte vergleichbar mit Benzin wird erwartet, vollständig zu Benzin, reine Elektrofahrzeuge echten lange Reise (Fig. 3) zu ersetzen.


Figur 3: Vergleich zwischen verschiedenen Arten von Batterien.

Was ist Lithium - Luft-Batterie?

die herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, als Kathodenmaterial eines Übergangsmetalloxid verschiedenes, Lithium Einfach ausgedrückt, - Luft-Batterie unter Verwendung von metallischem Lithium als negative Elektrode zu Sauerstoff in der Luft, als die Kathodenreaktand Batterie. Anstelle von Graphit, metallischem Lithium als negative Elektrode aus metallischem Lithium Vorteile (3860 mAh · g-1) hat fast die 10-fache das spezifische Volumen des Graphits (372 mAh · g-1) bis (spezifische Kapazität). Wie alle Batterien, Lithium - Luft-Batterien sind der Grund drei Teile: eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, ein Elektrolyt, eine elektronische leitende Fremd Routing Drahtverbindung ist die Kommunikationsschaltung durch die Elektrolytionen übertragen. Sein Arbeitsprinzip in Abbildung 4:


Abbildung 4: Lithium - schematische Darstellung einer Luftbatterie.

Lithium - Luft-Batterien Lithium-Metall-negative Elektrode, ein auf Kohlenstoff basierenden poröses Elektrodenmaterial für die positive Elektrode. Entladung, das metallische Lithium in der negativen Elektrode wurde Lithiumionen Elektronen verlieren, die Elektronen erreichen die poröse Kathode durch eine externe Schaltung, die Reduktion von Sauerstoff in der Luft, passiert Lithiumionen durch die Elektrolyten und die porösen positive Elektrode Sauerstoffgas gebildet wird und das Elektronen Lithiumperoxid (Li2O2) (Hauptprodukt). Diese Reaktion setzt, kann die Batterie Energie an die Last liefern. Der Ladevorgang umgekehrt wird, wird die Wirkung der Ladespannung, Entladungsprodukte während der Entladung erzeugten erster poröse positive Elektrode oxidiert, Sauerstoff wieder freigegeben wird, wird die Lithiumionen in der negativen Elektrode auf Lithiummetall reduziert.

Da das negative Elektrodenmaterial ein poröses Kohlenstoffmaterial ist sehr leicht, und Sauerstoff aus der Umgebung zu erhalten, und deshalb Lithium - abhängig vom Gewicht des Luft-Batterie-Elektrolyten und das Kathodenmaterial. High School Lithium reduzieren - Luft-Batterien im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien und haben daher eine höhere Energiedichte.

Lithium - air battery classification

Lithium-air battery anode material is metal lithium, the cathode is able to pass through the O2 porous carbon-based materials, we usually according to the electrolyte will be different lithium battery into four categories: aprotic lithium - air battery, water system lithium - air Batteries, mixed lithium-air batteries and solid-state lithium-ion batteries.


Figure 5: four types of lithium - air battery structure diagram.

Aprotic lithium - air battery:

A typical aprotic lithium-air battery consists of a metal lithium anode, a cathode of a porous carbon-based material with catalyst particles added, and an aprotic solvent electrolyte that dissolves lithium salts. Commonly used aprotic electrolytes include organic carbonates, ethers, esters, lithium salt solvents and the like. Aprotic electrolyte is the most widely used electrolyte, the advantages of high oxygen solubility, little corrosion of lithium, the battery structure is simple, operable, the disadvantage is that the discharge product is solid, easy to block the air cathode, and lithium oxide only Li2O2 Can be broken in the charging process, the battery cycle performance is poor.

Water system lithium - air battery:

Water system Lithium-air battery consists of lithium metal anode, water electrolyte and porous carbon cathode. The water and electrolyte combine lithium salts dissolved in water. It avoids the problem of cathode clogging because the reaction product is water-soluble. Compared with aprotic solvents, water design has a high practical discharge potential. However, lithium metal reacts violently with water, so the water design requires a solid electrolyte interface between lithium and the electrolyte.

Mixed system lithium - air battery:

Water system - aprotic lithium-air battery or a mixed-system lithium-air battery, its design attempts to combine the advantages of non-proton and water system battery design. The common feature of the hybrid design is a two part connected by a lithium conductive film (part of which is water and a part is aprotic). When the cathode is in contact with the water surface, the anode is adjacent to the aprotic end. Lithium conductive ceramics are commonly used as films for connecting two electrolytes.

Solid lithium - air battery:

Current solid lithium-air batteries use lithium as a negative electrode, ceramic, glass or glass ceramic as an electrolyte, and porous carbon as a positive electrode. The anode and cathode are usually separated from the polymer-ceramic composite, reinforcing the charge transfer on the anode, and combining the cathode with the electrolyte. The polymer ceramic composite reduces the overall impedance. Solid-state battery design enhances safety and eliminates the possibility of ignition rupture, but the disadvantage is that most glass-ceramic electrolytes have low conductivity.

Lithium-air battery advantages and defects?

Lithium - air battery applied to the field of automotive concept, as early as 1970 was put forward, but by the time of material technology development limit, has not been in-depth study, has not yet achieved commercial applications. With the development of electric vehicle industry and the upgrading of materials science and technology, lithium - air battery has begun to attract attention, one of the reasons is its high theoretical energy. Lithium and oxygen (air) in the ratio, theoretically can make the electrochemical battery has the highest energy. In fact, the theoretical energy of nonaqueous lithium-ion batteries is about 12kWh / Kg, which is equivalent to the theoretical energy of gasoline (13kWh / Kg), much higher than zinc air batteries, lithium-ion batteries, lithium-sulfur batteries (Figure 3 ). In practice, each lithium-air battery has a specific energy of 1.7 kWh / kg, which is five times larger than a commercial lithium-ion battery, enough to run a 2-ton all-electric vehicle (FEV), just use 60 kg battery can travel 500 km.1500869981002075765.jpg

Another important advantage of lithium-air batteries is that the active material of the positive electrode is directly from the surrounding air and is therefore inexhaustible for inexhaustible use and does not need to be stored inside the battery, thus reducing costs and reducing The weight of the battery, the battery's energy density depends entirely on the metal lithium side. And in the battery charge and discharge the whole process, will not produce environmentally harmful substances, is completely zero pollution of the green process.

However, careful readers should note that in the so-called "(metal) lithium-air (oxygen) battery" working environment, the actual function of the role of oxygen in the air. Therefore, not as good as the name, lithium - air battery on the working environment or have some requirements. Therefore, there are many problems with lithium-air batteries that have not been solved: the effects of H2O and CO2 in the atmosphere on the side effects, the release of the discharge product leads to clogging of the air circuit, the large charge-discharge overvoltage-induced catalyst problem, and the air electrode Carbon-based fluid corrosion. More research shows that the atmosphere of nitrogen is also unwilling to participate in this reaction.1500869981095094233.jpg

At the same time, the inhibition of Li2O2 precipitation reaction is directly related to the discharge capacity of the battery. Another problem with the precipitation of Li2O2 is that the overvoltage is large at the time of charging, which not only affects the conversion efficiency of energy, but also causes the oxidation of Li2O2 problem.

Lithium ions and oxygen coexistence conditions, the carbon material potential increases, the formation of lithium carbonate, too high voltage may lead to decomposition of the electrolyte, so the air electrode has a variety of discussions. It is generally believed that the structure, composition and catalytic activity of the cathode of the lithium-air battery have an important effect on the specific capacity and cycle performance of the battery. For example, Bruce et al. Reported that α-MnO2 nanowires were compounded with carbon, Reversible.

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With the increasing shortage of energy such as oil and coal and the increasing environmental pollution, it is imperative to develop efficient clean energy, and the superior theoretical performance of lithium - air battery will undoubtedly make it the focus of scientific research and commercial application. At present, various types of lithium-air batteries have their own advantages and disadvantages, whether it is due to liquid-phase electrolyte evaporation or porous carbon electrode material conduction catalytic performance and affect the battery performance, lithium-air batteries want to achieve commercial applications, Competitive market positioning, must solve the cycle life, energy efficiency, air filtration membrane, metal lithium protection and other key issues. Related areas of scientific research workers are also constantly strive to jointly promote the lithium - air battery to achieve practical application. Compared with the traditional metal air battery, lithium - air battery has a smaller size, lighter weight, higher operating voltage, higher specific energy characteristics, and thus in the military, field, electric vehicles, water and other fields Has a broad application prospects.