लिथियम-एअर बॅटरी आणि लिथियम-सल्फर बॅटरीची मूलभूत तत्त्वे समजून घेण्यासाठी एक लेख

01 लिथियम-एअर बॅटरी आणि लिथियम-सल्फर बॅटरी काय आहेत?

① ली-एअर बॅटरी

लिथियम-एअर बॅटरी पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड रिअॅक्टंट म्हणून ऑक्सिजन आणि मेटल लिथियम नकारात्मक इलेक्ट्रोड म्हणून वापरते.त्याची उच्च सैद्धांतिक ऊर्जा घनता (3500wh/kg) आहे आणि त्याची वास्तविक ऊर्जा घनता 500-1000wh/kg पर्यंत पोहोचू शकते, जी पारंपारिक लिथियम-आयन बॅटरी प्रणालीपेक्षा खूप जास्त आहे.लिथियम-एअर बॅटरी सकारात्मक इलेक्ट्रोड्स, इलेक्ट्रोलाइट्स आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड्सच्या बनलेल्या असतात.जलीय नसलेल्या बॅटरी प्रणालींमध्ये, शुद्ध ऑक्सिजनचा वापर सध्या प्रतिक्रिया वायू म्हणून केला जातो, म्हणून लिथियम-एअर बॅटरीला लिथियम-ऑक्सिजन बॅटरी देखील म्हटले जाऊ शकते.

1996 मध्ये, अब्राहम आणि इतर.प्रयोगशाळेत पहिली गैर-जलीय लिथियम-एअर बॅटरी यशस्वीरित्या एकत्र केली.मग संशोधकांनी जलीय नसलेल्या लिथियम-एअर बॅटरीच्या अंतर्गत इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया आणि यंत्रणेकडे लक्ष देणे सुरू केले;2002 मध्ये, वाचा आणि इतर.लिथियम-एअर बॅटरीची इलेक्ट्रोकेमिकल कामगिरी इलेक्ट्रोलाइट सॉल्व्हेंट आणि एअर कॅथोड सामग्रीवर अवलंबून असल्याचे आढळले;2006 मध्ये, Ogasawara et al.मास स्पेक्ट्रोमीटरचा वापर केला, हे प्रथमच सिद्ध झाले की Li2O2 चे ऑक्सिडीकरण झाले आणि चार्जिंग दरम्यान ऑक्सिजन सोडला गेला, ज्याने Li2O2 च्या इलेक्ट्रोकेमिकल रिव्हर्सिबिलिटीची पुष्टी केली.म्हणून, लिथियम-एअर बॅटरीकडे बरेच लक्ष आणि वेगवान विकास प्राप्त झाला आहे.

② लिथियम-सल्फर बॅटरी

 लिथियम-सल्फर बॅटरी ही उच्च विशिष्ट क्षमतेच्या सल्फर (1675mAh/g) आणि लिथियम धातू (3860mAh/g) च्या उलट करता येण्याजोग्या प्रतिक्रियेवर आधारित एक दुय्यम बॅटरी प्रणाली आहे, ज्याचे सरासरी डिस्चार्ज व्होल्टेज सुमारे 2.15V आहे.त्याची सैद्धांतिक ऊर्जा घनता 2600wh/kg पर्यंत पोहोचू शकते.त्याच्या कच्च्या मालामध्ये कमी किमतीचे आणि पर्यावरण मित्रत्वाचे फायदे आहेत, त्यामुळे त्याच्याकडे विकासाची मोठी क्षमता आहे.लिथियम-सल्फर बॅटरीचा शोध 1960 च्या दशकात शोधला जाऊ शकतो, जेव्हा हर्बर्ट आणि उलाम यांनी बॅटरी पेटंटसाठी अर्ज केला होता.या लिथियम-सल्फर बॅटरीच्या प्रोटोटाइपमध्ये लिथियम किंवा लिथियम मिश्र धातुचा वापर नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री म्हणून केला गेला, सल्फर सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री म्हणून आणि अॅलिफॅटिक सॅच्युरेटेड अमाइनचा बनलेला.इलेक्ट्रोलाइटचे.काही वर्षांनंतर, PC, DMSO आणि DMF सारख्या सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्सचा परिचय करून लिथियम-सल्फर बॅटरी सुधारल्या गेल्या आणि 2.35-2.5V बॅटरी प्राप्त झाल्या.1980 च्या उत्तरार्धात, लिथियम-सल्फर बॅटरीमध्ये इथर उपयुक्त असल्याचे सिद्ध झाले.त्यानंतरच्या अभ्यासात, इथर-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्सचा शोध, इलेक्ट्रोलाइट अॅडिटीव्ह म्हणून LiNO3 चा वापर आणि कार्बन/सल्फर कंपोझिट पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडच्या प्रस्तावामुळे लिथियम-सल्फर बॅटरीच्या संशोधनाची भर पडली आहे.

02 लिथियम-एअर बॅटरी आणि लिथियम-सल्फर बॅटरीचे कार्य तत्त्व

① ली-एअर बॅटरी

वापरलेल्या इलेक्ट्रोलाइटच्या वेगवेगळ्या स्थितींनुसार, लिथियम-एअर बॅटरी जलीय प्रणाली, सेंद्रिय प्रणाली, जल-सेंद्रिय संकरित प्रणाली आणि सर्व-सॉलिड-स्टेट लिथियम-एअर बॅटरीमध्ये विभागली जाऊ शकतात.त्यापैकी, पाणी-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स वापरून लिथियम-एअर बॅटरीची कमी विशिष्ट क्षमता, लिथियम धातूचे संरक्षण करण्यात अडचणी आणि प्रणालीची खराब उलटक्षमता, जलीय नसलेल्या सेंद्रिय लिथियम-एअर बॅटरी आणि सर्व-सॉलिड-स्टेट लिथियम-एअर. सध्या बॅटरीचा वापर जास्त प्रमाणात होतो.संशोधन.1996 मध्ये अब्राहम आणि Z.Jiang यांनी जलीय नसलेल्या लिथियम-एअर बॅटरीचा प्रस्ताव प्रथम मांडला होता. डिस्चार्ज प्रतिक्रिया समीकरण आकृती 1 मध्ये दाखवले आहे. चार्जिंग प्रतिक्रिया उलट आहे.इलेक्ट्रोलाइट प्रामुख्याने सेंद्रिय इलेक्ट्रोलाइट किंवा घन इलेक्ट्रोलाइट वापरतो आणि डिस्चार्ज उत्पादन मुख्यतः Li2O2 असते, उत्पादन इलेक्ट्रोलाइटमध्ये अघुलनशील असते आणि एअर पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडवर जमा करणे सोपे असते, ज्यामुळे लिथियम-एअर बॅटरीच्या डिस्चार्ज क्षमतेवर परिणाम होतो.

लिथियम-एअर बॅटरीमध्ये अति-उच्च ऊर्जा घनता, पर्यावरण मित्रत्व आणि कमी किमतीचे फायदे आहेत, परंतु त्यांचे संशोधन अद्याप प्राथमिक अवस्थेत आहे आणि अजूनही अनेक समस्यांचे निराकरण करणे बाकी आहे, जसे की ऑक्सिजन कमी करण्याच्या प्रतिक्रियेचे उत्प्रेरक, ऑक्सिजन पारगम्यता आणि एअर इलेक्ट्रोडची हायड्रोफोबिसिटी आणि एअर इलेक्ट्रोड्सचे निष्क्रियीकरण इ.

② लिथियम-सल्फर बॅटरी

लिथियम-सल्फर बॅटरी मुख्यतः एलिमेंटल सल्फर किंवा सल्फर-आधारित संयुगे बॅटरीची सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री म्हणून वापरतात आणि धातूचा लिथियम प्रामुख्याने नकारात्मक इलेक्ट्रोडसाठी वापरला जातो.डिस्चार्ज प्रक्रियेदरम्यान, नकारात्मक इलेक्ट्रोडवर स्थित मेटल लिथियम इलेक्ट्रॉन गमावण्यासाठी आणि लिथियम आयन तयार करण्यासाठी ऑक्सिडाइझ केले जाते;नंतर इलेक्ट्रॉन्स बाह्य सर्किटद्वारे सकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये हस्तांतरित केले जातात आणि व्युत्पन्न लिथियम आयन देखील पॉलीसल्फाइड तयार करण्यासाठी सल्फरशी प्रतिक्रिया करण्यासाठी इलेक्ट्रोलाइटद्वारे सकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये हस्तांतरित केले जातात.लिथियम (LiPSs), आणि नंतर डिस्चार्ज प्रक्रिया पूर्ण करण्यासाठी लिथियम सल्फाइड तयार करण्यासाठी प्रतिक्रिया देते.चार्जिंग प्रक्रियेदरम्यान, LiPSs मधील लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइटद्वारे नकारात्मक इलेक्ट्रोडवर परत येतात, तर इलेक्ट्रॉन बाहेरील सर्किटद्वारे नकारात्मक इलेक्ट्रोडवर परत येतात आणि लिथियम आयनांसह लिथियम धातू तयार करतात आणि LiPSs पूर्ण करण्यासाठी सकारात्मक इलेक्ट्रोडवर सल्फरमध्ये कमी होतात. चार्जिंग प्रक्रिया.

लिथियम-सल्फर बॅटरीची डिस्चार्ज प्रक्रिया ही प्रामुख्याने सल्फर कॅथोडवर मल्टी-स्टेप, मल्टी-इलेक्ट्रॉन, मल्टी-फेज कॉम्प्लेक्स इलेक्ट्रोकेमिकल रिअॅक्शन असते आणि चार्ज-डिस्चार्ज प्रक्रियेदरम्यान वेगवेगळ्या साखळी लांबी असलेल्या LiPS चे एकमेकांमध्ये रूपांतर होते.डिस्चार्ज प्रक्रियेदरम्यान, सकारात्मक इलेक्ट्रोडवर उद्भवू शकणारी प्रतिक्रिया आकृती 2 मध्ये दर्शविली आहे आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोडवरील प्रतिक्रिया आकृती 3 मध्ये दर्शविली आहे.

लिथियम-सल्फर बॅटरीचे फायदे अगदी स्पष्ट आहेत, जसे की खूप उच्च सैद्धांतिक क्षमता;सामग्रीमध्ये ऑक्सिजन नाही आणि ऑक्सिजन उत्क्रांती प्रतिक्रिया होणार नाही, म्हणून सुरक्षा कार्यक्षमता चांगली आहे;सल्फर संसाधने मुबलक आहेत आणि मूलभूत सल्फर स्वस्त आहे;ते पर्यावरणास अनुकूल आहे आणि कमी विषारी आहे.तथापि, लिथियम-सल्फर बॅटरीमध्ये काही आव्हानात्मक समस्या देखील असतात, जसे की लिथियम पॉलिसल्फाइड शटल प्रभाव;एलिमेंटल सल्फर आणि त्याच्या डिस्चार्ज उत्पादनांचे इन्सुलेशन;मोठ्या प्रमाणात बदलांची समस्या;अस्थिर एसईआय आणि लिथियम एनोड्समुळे होणारी सुरक्षा समस्या;सेल्फ-डिस्चार्ज इंद्रियगोचर इ.

दुय्यम बॅटरी प्रणालीची नवीन पिढी म्हणून, लिथियम-एअर बॅटरी आणि लिथियम-सल्फर बॅटरियांमध्ये खूप उच्च सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता मूल्ये आहेत आणि संशोधक आणि दुय्यम बॅटरी मार्केटचे व्यापक लक्ष वेधून घेतले आहे.सद्यस्थितीत, या दोन बॅटरी अजूनही अनेक वैज्ञानिक आणि तांत्रिक समस्यांना तोंड देत आहेत.ते बॅटरी विकासाच्या सुरुवातीच्या संशोधनाच्या टप्प्यात आहेत.बॅटरी कॅथोड मटेरिअलची विशिष्ट क्षमता आणि स्थिरता आणखी सुधारणे आवश्यक आहे या व्यतिरिक्त, बॅटरी सुरक्षिततेसारख्या महत्त्वाच्या समस्यांचेही तातडीने निराकरण करणे आवश्यक आहे.भविष्यात, या दोन नवीन प्रकारच्या बॅटरीजना अजूनही त्यांच्यातील दोष दूर करण्यासाठी सतत तांत्रिक सुधारणेची आवश्यकता आहे जेणेकरून ते अधिक व्यापक ऍप्लिकेशनच्या शक्यता उघडतील.