لیتیم - دوره ای از باتری های هوا می آیند؟

- Jul 25, 2017-

با توسعۀ علم و فناوری اجتماعی، نیازهای اولیه مردم از حمایت انرژی جدا نیست. از اشیاء کوچک مانند تلفن های همراه و لپ تاپ ها، به وسایل حمل و نقل، تبدیل به یک بخش ضروری از زندگی مردم است. نفت خام و دیگر انرژی های سنتی اگر چه ظرفیت تولید انرژی بالا وجود دارد، اما ناهمواری محیط زیستی (مانند تعداد زیادی از انتشار دی اکسید کربن) و مجموعه ای از کاستی ها تبدیل شده است که امروزه جامعه نمی تواند نادیده گرفته شود. منابع انرژی جدید مانند انرژی خورشیدی، انرژی باد و غیره، اگر چه پتانسیل بزرگی وجود دارد، اما به دلیل استفاده از محیط زیست در آن زمان وابستگی قوی است، بنابراین برای انجام برخی از نیاز به عملکرد مداوم از تجهیزات الکترونیکی (مانند اتومبیل، و غیره) هنوز یک چالش است. بنابراین برای دستیابی به حمایت از این نیروها، به بهبود تجهیزات ذخیره انرژی الکترونیکی بستگی دارد که به مناطق مختلف با اندازه های مختلف باتری اعمال می شود.



در سال های اخیر، دانشمندان با استفاده از باتری هایی مانند باتری های قلیایی (مانند باتری های Fe / Ni و باتری های Zn / Mn)، باتری های سنتی سرب اسید، باتری های لیتیوم-سولفور، و بسیاری از موارد لیتیوم یون باتری در مقایسه با باتری های دیگر، باتری های لیتیوم یون به دلیل انرژی بالای آن از انرژی، ولتاژ کارکرد بالا، چرخه عمر طولانی، کم خود تخلیه، بدون حافظه و سبز و غیره، به طور گسترده ای در تلفن های همراه و کامپیوترهای نوت بوک و غیره نیز نسل بعدی از گزینه ایده آل برای هیبرید قابل شارژ و الکتریکی است.

باتری باتری یون لیتیوم با استفاده از یک اصل شبیه به صندلی مانند شیب، روند شارژ و تخلیه Li + بین قطب مثبت و منفی به جلو و عقب بین شاتل، از یک طرف به سمت دیگر، چرخه مجاز، برای رسیدن به شارژ باتری و روند تخلیه به عنوان انواع ذخیره سازی الکتروشیمیایی در سیستم مواد و طراحی متفاوت است، شاخص های فنی نیز متفاوت هستند. لیزر EAD برنامه جدید توسعه صنعت فناوری انرژی (NEDO) ژاپن برای تنظیم میزان باتری 2030 با شاخص های کارایی بالا 700 وات / کیلوگرم است. در حال حاضر، باتری لیتیوم یون نمی تواند این هدف را به دست آورد، و محاسبه تئوری تراکم انرژی لیتیوم باتری هوا می تواند به 12000Wh / Kg، بیش از شاخص های پیشنهادی NEDO. قبل از اینکه ما در مورد باتری لیتیوم هوا بحث کنیم، به طور خلاصه باتری لیتیوم یون را معرفی می کنیم.

اصل باتری لیتیوم یون

باتری لیتیوم یون متشکل از سه بخش است: کاتد (معمولا ساختار لایه ای از اکسید کبالت لیتیوم و ترکیبات لیتیوم منگنیکل نیکل کبالت، ساختار اسپینل منگنات لیتیوم، ساختار الیفین فسفات آهن لیتیوم)، منفی (معمولا گرافیت لایه) و الکترولیت؛ که در آن واکنش بازآفرینی در مثبت و منفی رخ می دهد، الکترولیت به عنوان یک محیط حمل و نقل یون حمل و نقل. به طور خاص، در فرایند تخلیه، یون لیتیوم در میدان الکتریکی داخلی از طریق راه حل الکترولیتی به قطب مثبت، در حالی که الکترون های منفی از طریق جریان مدار خارجی به مثبت (واکنش خاص intercalation، دانش آموزان علاقه مند می تواند گوگل [3 ]) در الکترونیک از منفی به روند مهاجرت کار خواهد کرد، این کار برای حمایت از کار از تجهیزات الکترونیکی، انرژی استفاده می شود. همانطور که از نامش بر می آید، روند شارژ فرایند معکوس روند تخلیه است.

باتری یون لیتیوم محدودیت اصلی است

عوامل متعددی که بر یون لیتیوم تاثیر می گذارند مانند دمای، بار سریع و تخلیه، ظرفیت نظری مواد و تراکم انرژی وجود دارد. جایی که تراکم انرژی و ظرفیت نظری دو جنبه عمده محدود کردن باتری های لیتیوم یون است. در اینجا برای اولین بار در مورد یک مفهوم مهم - چگالی انرژی (تراکم انرژی) صحبت می کنیم. تراکم انرژی، همچنین به عنوان انرژی شناخته می شود، تفسیر نوشته شده به ذخیره انرژی در یک فضای خاص یا اندازه مواد توده ای اشاره دارد، نقطه عطفی به حجم واحد یا واحد جرم شامل انرژی است. در صنعت باتری، اغلب برای مقایسه میزان مصرف باتری ذخیره شده در واحد وزن باتری استفاده می شود. به عنوان مثال، تراکم انرژی باتری تجاری موجود، نسبتا بالا باتری لیتیوم یون است، چگالی انرژی حدود 500Wh / Kg، همانطور که قبلا ذکر شد، این چگالی انرژی برای جایگزینی بنزین (چگالی انرژی حدود 13 000Wh / Kg) کافی نیست برای دستیابی به الکتریسیته مصرفی خودرو استفاده می شود.

به تراکم انرژی باتری لیتیوم یونی (0.05-0.1 کیلو وات / کیلوگرم) آسیب نمی رساند، تنها تراکم انرژی خودرو (13 کیلو وات / کیلوگرم، شورلت وانگ) کمتر از 1٪ نسبت به انرژی سنتی مانند لیتیوم ناکارآمد است چرا که تا به حال توسط مردم مورد توجه قرار گرفته و به رسمیت شناخته شده است؟

این از ساختار باتری لیتیوم یون است. خوانندگان دقیق متوجه شده اند که در شکل 1، سبک مثبت و منفی باد، یکسان نیست. مانند قطب منفی بعضی از قاب ها است و قطب مثبت برخی آجر آبی رنگی است، اما این تمرکز نیست، این تنها نویسنده است که می خواهد برای نشان دادن مواد مثبت و منفی متفاوت باشد. اما زمین مشترک آنها، یون های لیتیوم یونی مانند لوبیا به صورت منظم سفارش می شوند. این به این دلیل است که یونهای لیتیوم از طریق مهاجرت الکترولیت به فرآیند منفی، با برخی از همپوشانی یون لیتیوم قبلا وارد شده است. اگر هیچ ساختار لایه ای وجود نداشته باشد، این نخست به یون های لیتیوم یک ساختار بلوری تبدیل خواهد کرد، آکادمی به نام دندریت ها. این کریستال ها به سرعت رشد می کنند و مثبت و منفی را به هم متصل می کنند، به طوری که کل باتری از اتصال کوتاه داخلی. به عنوان محبوب ما همانطور که همه ما باید متوقف شود، در ورودی اجازه نمی دهد که یکدیگر باعث ترافیک تیم طولانی مدت است. در حالی که لایه های مثبت و منفی این ساختار قادر به نگهداری مرتب از این زمان های مختلف ورود عملکرد یون لیتیوم، مانند فضاهای پارکینگ است. بنابراین قطبهای مثبت و منفی با ساختار لایه ای دستورالعمل برای باتری های قابل شارژ ضروری است (شکل 2). اما مواد مثبت و منفی و الکترولیت در فرآیند تخلیه انرژی را نمی دهد. بنابراین کشیدن چگالی انرژی کلی از باتری را کاهش می دهد. 1500869980861001393.jpg

ساختار لایه ای می تواند یون های لیتیوم را ذخیره کند تا از تشکیل دندریت جلوگیری شود.

یکی دیگر از عوامل مهم در باتری لیتیوم یون، ظرفیت مواد الکترود است. شایان ذکر است که الکترود مثبت بخش مهمی از باتری لیتیوم یون است و عملکرد آن تا حد زیادی عملکرد نهایی باتری را تعیین می کند. بسیاری از باتری های لیتیوم یون از پیشرفت های تکنولوژیکی عمده و تکنولوژی مواد کاتد، به طور گسترده ای مرتبط با افزایش است. مواد الکترودهای شناخته شده شناخته شده که می توانند مورد استفاده قرار بگیرند عبارتند از اکسید کبالت لیتیوم و ترکیبات لیتیوم کبالت-نیکل منگنز با ساختار لایه ای، منگنات لیتیوم ساختار اسپینل، فسفات آهن لیتیوم ساختار اولیفین.

با این حال، با افزایش تقاضا برای بازار جهانی وسایل نقلیه الکتریکی، توسعه باتری لیتیوم یون به طور جدی مانع شد، توسعه تنگنا عمدتا به منظور افزایش ظرفیت بار و تخلیه مواد کاتد برای دیدار با انرژی خاص خاص، ادعای افزایش شارژ و تخلیه برق. ظرفیت واقعی مواد الکترودهای مثبت بین 120 تا 250 میلی آمپر ساعت در گرم است که هنوز نسبت به مواد آندروژنی موجود در بازار تجاری (ظرفیت واقعی واقعی 330-360 میلی آمپر ساعت در گرم) بسیار پایین است (نسبتا کم ظرفیت / تراکم انرژی، وضعیت تحقیق در حال حاضر مواد کاتد است، محدود کردن توسعه باتری لیتیوم یون عامل اصلی است. دوم، هزینه مواد کاتد نیز بر توسعه لیتیوم یون با ظرفیت بالا تاثیر می گذارد یکی از عوامل مهم است. به طور کلی، آماده سازی مواد کاتد نیاز به استفاده از عناصر نادر فلزات گذار (مانند کبالت، نیکل، و غیره) در مقادیر زیاد. از یک سو، کبالت، نیکل و دیگر منابع فلزی در ذخایر زمین محدود است، که برای معدن بزرگ و مصرف بیش از اندازه مناسب نیست (بر خلاف استراتژی توسعه پایدار ملی)؛ از سوی دیگر، استفاده از عناصر نادر فلزی هزینه های تولید باتری را افزایش می دهد، به میزان قابل توجهی در زمینه ارتقاء عمر باتری لیتیوم یون در آینده (به عنوان مثال در زمینه ذخیره انرژی و سایر کاربردهای عملی) منجر نمی شود. علاوه بر این، استفاده سنگین از کبالت، نیکل، منگنز و دیگر فلزات سنگین در خاک، آب و سایر محیط ها، آسیب بیشتری به همراه دارد و حیوانات و حیوانات و گیاهان، تهدید جدی می کنند.

راه حل

با این حال، روش همیشه بیشتر از مشکل است، به منظور بهبود بیشتر چگالی انرژی باتری های قابل شارژ، کاهش وزن باتری تبدیل شده است به یک پیشرفت تبدیل شده است. اگر چه امکان پیدا کردن مواد با نسبت انرژی نسبت به جرم بیشتر از لیتیوم فلز نیست، ما می توانیم باتری را کاهش وزن و بهبود کل انرژی انرژی باتری. یکی از نماینده ترین باتری لیتیوم هوا است. محاسبه تئوری تراکم انرژی باتری لیتیوم هوا می تواند به 12000 وات / کیلوگرم برسد، که قابل مقایسه با تراکم انرژی فوق العاده بالا بنزین است، انتظار می رود که بنزین، مسیر طولانی واقعی وسایل نقلیه الکتریکی جایگزین شود (شکل 3).

1500869980643069075.jpg


باتری باتری لیتیوم چیست؟

به سادگی با باتری لیتیوم یون سنتی به انتقال اکسید فلز به عنوان مواد کاتد متفاوت است با باتری لیتیوم هوا، یک فلز لیتیوم به عنوان یک الکترود منفی به اکسیژن در هوا به عنوان یک باتری واکنش الکترودهای مثبت قرار داده است. یکی از مزیت های لیتیوم فلز به جای گرافیت به عنوان الکترود منفی این است که لیتیوم (3860 mAh · g-1) دارای ظرفیت خاص تقریبا 10 برابر ظرفیت گرافیت (372 mAh · g-1) است. باتری های لیتیوم-هوا مانند همه باتری ها از سه جزء اصلی تشکیل شده است: مثبت، منفی، الکترولیت، مدار خارجی توسط هدایت سیم هدایت شده، مدار داخلی که توسط یون های انتقال الکترولیت متصل شده است. اصل کار آن در شکل 4 نشان داده شده است:


شکل 4: الگوی باتری لیتیوم - باتری هوا.

باتری لیتیوم هوا از فلز لیتیوم به عنوان آند ساخته شده است، و الکترود متخلخل متشکل از مواد بر اساس کربن مثبت است. در طول فرایند تخلیه، لیتیوم فلزی در از دست دادن منفی الکترونها به یونهای لیتیوم، الکترونها از طریق مدار خارجی برای رسیدن به کاتد متخلخل، اکسیژن در کاهش هوا و یونهای لیتیوم از طریق الکترولیت برای رسیدن به کاتد متخلخل و اکسیژن و الکترون ها برای ایجاد پراکسید لیتیوم (Li2O2) (محصول اصلی). این واکنش ادامه دارد و باتری می تواند انرژی را به بار تحویل دهد. فرایند شارژ فقط مخالف است، تحت عمل ولتاژ شارژ، محصول تخلیه تولید شده در فرایند تخلیه اول در الکترودهای مثبت متخلخل اکسید شده است، دوباره آزاد اکسید، یون لیتیوم در الکترود منفی به لیتیوم فلزی کاهش یافته است .

از آنجایی که مواد آند آن ماده بسیار کربن متخلخل کربن است و اکسیژن از محیط گرفته شده است، وزن باتری لیتیوم هوا به طور عمده در مواد کاتد و الکترولیت بستگی دارد. باتری لیتیوم هوا متصل شده دارای تراکم انرژی بیشتری نسبت به باتری های لیتیوم یون دارد.

مواد آند آن با لیتیم هوا لیتیوم فلزی است، کاتد قادر به عبور از مواد متخلخل مبتنی بر کربن O2 است، ما معمولا با توجه به الکترولیت باتری لیتیوم متفاوت به چهار دسته: لیتیوم آپاتیک باتری، سیستم لیتیوم آب - باتری های هوا، باتری های لیتیوم هوا مخلوط و باتری های لیتیوم یون حالت جامد.


شکل 5: چهار نوع نمودار ساختار باتری لیتیوم - هوا.

باتری لیتیوم ضدآب:

یک باتری معمولی با لیتیوم هوا متشکل از یک آند anode لیتیوم فلزی، یک کاتد از یک ماده متخلخل با کربن متخلخل با ذرات کاتالیزه شده و یک الکترولیت حلال آپروتیک است که نمکهای لیتیوم را حل میکند. الکترولیتهای آپروتیک معمولا شامل کربناتهای آلی، اترها، استرها، حلال های نمکی لیتیوم و ... می باشند. الکترولیت Aprotic بیشترین استفاده الکترولیت است، مزایای استفاده از حلالیت با اکسیژن بالا، خوردگی کمی از لیتیوم، ساختار باتری ساده و کارآمد است، مضرات این است که محصول تخلیه جامد است، آسان برای جلوگیری از کاتد هوا و تنها اکسید لیتیوم Li2O2 می تواند در فرآیند شارژ شکسته شود، عملکرد چرخه باتری ضعیف است.

سیستم لیتیوم آب - باتری هوا:

سیستم آب باتری لیتیوم هوا شامل آند آند، فلز الکتریکی لیتیوم، الکترولیت آب و کاتد متخلخل کربن است. آب و الکترولیت ترکیبی از نمک های لیتیوم در آب حل می شود. این مسئله مسدود شدن مسدود شدن کاتد را از بین می برد زیرا محصول واکنش محلول در آب است. در مقایسه با حلال های آپروتیک، طراحی آب دارای پتانسیل عملیاتی بالا عمل می کند. با این حال، فلز لیتیوم با آب خشونت آمیز واکنش نشان می دهد، بنابراین طراحی آب نیاز به یک رابط الکترولیت جامد بین لیتیوم و الکترولیت دارد.

سیستم لیتیوم مخلوط - باتری هوا:

سیستم آب - باتری لیتیوم هوادهی یا سیستم لیتیوم هوا با سیستم مخلوط، طراحی آن تلاش می کند تا مزایای استفاده از طراحی باتری غیر پروتون و سیستم آب را ترکیب کند. ویژگی مشترک طراحی هیبرید دو بخش است که توسط یک فیلم هدایت لیتیوم متصل شده است (بخشی از آن آب است و بخشی از آن aprotic است). هنگامی که کاتد در تماس با سطح آب قرار دارد، آند در مجاورت انتهای aprotic قرار دارد. سرامیک رسانایی لیتیوم معمولا به عنوان فیلم برای اتصال دو الکترولیت استفاده می شود.

باتری لیتیوم جامد:

باتری های لیتیوم هوای جامد با استفاده از لیتیوم به عنوان یک الکترود منفرد، سرامیک، شیشه یا سرامیک شیشه ای به عنوان یک الکترولیت و کربن متخلخل به عنوان یک الکترود مثبت استفاده می شود. آند و کاتد معمولا از کامپوزیت پلیمری-سرامیکی جدا شده اند، تقویت انتقال بار بر روی آند و ترکیب کاتد با الکترولیت. کامپوزیت سرامیک پلیمری امپدانس کلی را کاهش می دهد. طراحی باتری حالت جامد ایمنی را افزایش می دهد و امکان شکستن اشتعال را از بین می برد، اما ناکارآمدی این است که اکثر الکترولیت های شیشه سرامیکی دارای رسانایی کم هستند.

مزایا و نقص باتری لیتیوم هوا؟

باتری لیتیوم با استفاده از مفهوم خودرو، در اوایل سال 1970 به پیش برده شد، اما با گذشت زمان توسعه تکنولوژی مواد، مطالعات عمیق انجام نشده است، هنوز کاربرد تجاری نداشته است. با توسعه صنعت خودرو الکتریکی و ارتقاء علم و فناوری مواد، باتری لیتیوم-هوا شروع به توجه بیشتر کرده است، یکی از دلایل آن انرژی نظری بالا است. لیتیوم و اکسیژن (هوا) در این نسبت، به طور نظری می توانند باتری الکتروشیمیایی بیشترین انرژی را داشته باشند. در واقع، انرژی نظری باتری های لیتیوم یونی غیر آبی حدود 12 کیلو وات / کیلوگرم است که معادل انرژی نظری بنزین (13 کیلو وات / کیلوگرم) است که بسیار بالاتر از باتری های روی باتری، باتری های لیتیوم یون، باتری های لیتیوم گوگرد ( شکل 3). در عمل، هر باتری لیتیوم هوا دارای انرژی خاص 1.7 کیلووات ساعت / کیلوگرم است که پنج برابر بزرگتر از یک باتری لیتیوم یون تجاری است که به اندازه کافی برای کار کردن یک وسیله نقلیه تمام الکتریکی 2 تن (FEV) استفاده می شود، فقط 60 کیلوگرم باتری می تواند 500 کیلومتر سفر کند.

یکی دیگر از مزیت های مهم باتری های لیتیوم هوا این است که ماده فعال الکترودهای مثبت مستقیما از هوای اطراف آن است و بنابراین برای استفاده ناپذیر قابل استفاده نیست و نیازی به ذخیره در داخل باتری نیست، بنابراین هزینه ها کاهش می یابد و وزن آن کاهش می یابد. باتری، تراکم انرژی باتری به طور کامل بر روی لیتیوم فلز متمرکز است. و در شارژ باتری و تخلیه کل فرایند، تولید مواد مضر زیست محیطی تولید نمی کند، به طور کامل صفر آلودگی فرایند سبز است.

با این حال، خوانندگان دقیق باید توجه داشته باشند که در محیط کار به اصطلاح (فلز) باتری لیتیوم (هوا) (اکسیژن) "، عملکرد واقعی از نقش اکسیژن در هوا است. بنابراین، نه به عنوان نام و نام، لیتیوم - باتری هوا در محیط کار و یا برخی از الزامات. بنابراین، مشکلات با باتری های لیتیوم هوا که حل نشده اند، وجود دارد: اثرات H2O و CO2 در جو بر عوارض جانبی، انتشار محصول تخلیه منجر به مسدود شدن مدار هوای، بار زیاد تخلیه مشکل کاتالیست ناشی از ولتاژ بالا و الکترود الکترود خوردگی مایع مبتنی بر کربن. تحقیقات بیشتری نشان می دهد که اتم نیتروژن نیز نمی خواهد در این واکنش شرکت کند. 1500869981002075765.jpg

در عین حال، مهار واکنش بارش لیوویسی به طور مستقیم با ظرفیت تخلیه باتری ارتباط دارد. یکی دیگر از مشکلات با بارش Li2O2 این است که ولتاژ بالا در زمان شارژ است که نه تنها اثر تبدیل انرژی را تحت تاثیر قرار، بلکه باعث اکسیداسیون مشکل Li2O2.

یون لیتیوم و شرایط همزیستی اکسیژن، پتانسیل مواد کربن افزایش می یابد، تشکیل کربنات لیتیوم، ولتاژ بالا ممکن است منجر به تجزیه الکترولیت شود، بنابراین الکترود هوا بحث های مختلفی دارد. به طور کلی اعتقاد بر این است که ساختار، ترکیب و فعالیت کاتالیزوری کاتد باتری لیتیوم هوا تاثیر زیادی بر عملکرد خاص و چرخه باتری دارد. به عنوان مثال، بروس و همکاران گزارش شده است که نانوسیمهای α-MnO2 با کربن، برگشت پذیر می شوند.

آینده 1500869981095094233.jpg

با کمبود فزاینده انرژی مانند نفت و زغال سنگ و افزایش آلودگی محیط زیست، ضروری است که انرژی پاک کارآمد را توسعه دهیم و عملکرد نظری بالاتری از باتری لیتیوم هوا بدون شک به تمرکز تحقیقات علمی و کاربرد تجاری تبدیل شده است. در حال حاضر انواع مختلف باتری لیتیوم هوا مزایا و معایب خاص خود را دارند، که آیا این امر به دلیل تبخیر الکترولیت مایع و یا کاتالیزوری هدایت مواد الکترودهای متخلخل الکترودهای متخلخل است و بر عملکرد باتری تاثیر می گذارد، باتری های لیتیوم هوا می خواهند برای دستیابی به برنامه های کاربردی تجاری ، موقعیت رقابتی بازار، باید زندگی چرخه، بهره وری انرژی، غشای فیلتراسیون هوا، حفاظت لیتیوم فلزی و دیگر مسائل کلیدی را حل کند. زمینه های مرتبط با کارکنان پژوهشی علمی نیز به طور مداوم تلاش می کنند تا به طور مشترک با استفاده از لیتیوم - باتری هوا برای دستیابی به کاربرد عملی. در مقایسه با باتری سنتی فلز هوا، باتری لیتیوم با ابعاد کوچکتر، وزن سبک تر، ولتاژ کارکردی بالا، خصوصیات انرژی بالا و به همین ترتیب در زمینه نظامی، میدان الکتریکی، آب و دیگر زمینه ها دارای چشم انداز کاربرد فراوانی است.

1500869981220021764.jpg