სტატია ლითიუმ-ჰაერის ბატარეების და ლითიუმ-გოგირდის ბატარეების ძირითადი პრინციპების გასაგებად

01 რა არის ლითიუმ-ჰაერის ბატარეები და ლითიუმ-გოგირდის ბატარეები?

① Li-air ბატარეა

ლითიუმ-ჰაერის ბატარეა იყენებს ჟანგბადს, როგორც პოზიტიურ ელექტროდს, ხოლო ლითონის ლითიუმს, როგორც უარყოფით ელექტროდს.მას აქვს მაღალი თეორიული ენერგიის სიმკვრივე (3500wh/kg) და მისი ფაქტობრივი ენერგიის სიმკვრივე შეიძლება მიაღწიოს 500-1000wh/kg, რაც ბევრად აღემატება ჩვეულებრივი ლითიუმ-იონური ბატარეის სისტემას.ლითიუმ-ჰაერის ბატარეები შედგება დადებითი ელექტროდების, ელექტროლიტების და უარყოფითი ელექტროდებისგან.არაწყლიან ბატარეის სისტემებში სუფთა ჟანგბადი ამჟამად გამოიყენება რეაქციის გაზად, ამიტომ ლითიუმ-ჰაერის ბატარეებს ასევე შეიძლება ეწოდოს ლითიუმ-ჟანგბადის ბატარეები.

1996 წელს აბრაამი და სხვ.ლაბორატორიაში წარმატებით ააწყო პირველი არაწყლიანი ლითიუმ-ჰაერის ბატარეა.შემდეგ მკვლევარებმა დაიწყეს ყურადღების მიქცევა ლითიუმ-ჰაერის არაწყლიანი ბატარეების შიდა ელექტროქიმიურ რეაქციასა და მექანიზმზე;2002 წელს Read et al.აღმოჩნდა, რომ ლითიუმ-ჰაერის ბატარეების ელექტროქიმიური მოქმედება დამოკიდებული იყო ელექტროლიტის გამხსნელზე და ჰაერის კათოდის მასალებზე;2006 წელს ოგასავარა და სხვ.გამოყენებული მასსპექტრომეტრი, პირველად დადასტურდა, რომ Li2O2 იჟანგება და ჟანგბადი გამოიყოფა დამუხტვის დროს, რამაც დაადასტურა Li2O2-ის ელექტროქიმიური შექცევადობა.ამიტომ ლითიუმ-ჰაერის ბატარეებმა დიდი ყურადღება და სწრაფი განვითარება მიიპყრო.

② ლითიუმ-გოგირდის ბატარეა

 ლითიუმ-გოგირდის ბატარეა არის მეორადი ბატარეის სისტემა, რომელიც დაფუძნებულია მაღალი სპეციფიკური სიმძლავრის გოგირდის (1675 mAh/g) და ლითიუმის ლითონის (3860 mAh/g) შექცევად რეაქციაზე, საშუალო გამონადენის ძაბვით დაახლოებით 2.15 ვ.მისი თეორიული ენერგიის სიმკვრივე შეიძლება მიაღწიოს 2600wh/kg-ს.მის ნედლეულს აქვს დაბალი ღირებულება და გარემოსდაცვითი კეთილგანწყობის უპირატესობა, ამიტომ მას აქვს განვითარების დიდი პოტენციალი.ლითიუმ-გოგირდის ბატარეების გამოგონება 1960-იან წლებშია, როდესაც ჰერბერტმა და ულამმა განაცხადეს ბატარეის პატენტი.ამ ლითიუმ-გოგირდის ბატარეის პროტოტიპში გამოიყენებოდა ლითიუმი ან ლითიუმის შენადნობი, როგორც უარყოფითი ელექტროდის მასალა, გოგირდი, როგორც დადებითი ელექტროდის მასალა და შედგებოდა ალიფატური გაჯერებული ამინებით.ელექტროლიტის.რამდენიმე წლის შემდეგ, ლითიუმ-გოგირდის ბატარეები გაუმჯობესდა ორგანული გამხსნელების შემოღებით, როგორიცაა PC, DMSO და DMF და მიიღეს 2.35-2.5V ბატარეები.1980-იანი წლების ბოლოს დადასტურდა, რომ ეთერები სასარგებლოა ლითიუმ-გოგირდის ბატარეებში.შემდგომ კვლევებში, ეთერზე დაფუძნებული ელექტროლიტების აღმოჩენამ, LiNO3-ის, როგორც ელექტროლიტების დანამატის გამოყენებამ და ნახშირბადის/გოგირდის კომპოზიტური დადებითი ელექტროდების შეთავაზებამ, გახსნა ლითიუმ-გოგირდის ბატარეების კვლევითი ბუმი.

02 ლითიუმ-ჰაერის ბატარეისა და ლითიუმ-გოგირდის ბატარეის მუშაობის პრინციპი

① Li-air ბატარეა

გამოყენებული ელექტროლიტის სხვადასხვა მდგომარეობის მიხედვით, ლითიუმ-ჰაერის ბატარეები შეიძლება დაიყოს წყლის სისტემებად, ორგანულ სისტემებად, წყალ-ორგანულ ჰიბრიდულ სისტემებად და მთლიანად მყარი მდგომარეობის ლითიუმ-ჰაერის ბატარეებად.მათ შორის, ლითიუმ-ჰაერის ბატარეების დაბალი სპეციფიური სიმძლავრის გამო, რომლებიც იყენებენ წყალზე დაფუძნებულ ელექტროლიტებს, ლითიუმის ლითონის დაცვის სირთულეებს და სისტემის ცუდი შექცევადობას, არაწყლიანი ორგანული ლითიუმ-ჰაერის ბატარეები და სრულიად მყარი ლითიუმ-ჰაერი. ბატარეები ამჟამად უფრო ფართოდ გამოიყენება.Კვლევა.არაწყლიანი ლითიუმ-ჰაერის ბატარეები პირველად შემოგვთავაზეს აბრაამმა და ზ.ჯიანმა 1996 წელს. გამონადენის რეაქციის განტოლება ნაჩვენებია სურათზე 1. დამუხტვის რეაქცია საპირისპიროა.ელექტროლიტი ძირითადად იყენებს ორგანულ ელექტროლიტს ან მყარ ელექტროლიტს, ხოლო გამონადენი პროდუქტი ძირითადად არის Li2O2, პროდუქტი ელექტროლიტში უხსნადია და ადვილად გროვდება ჰაერის დადებით ელექტროდზე, რაც გავლენას ახდენს ლითიუმ-ჰაერის ბატარეის განმუხტვის შესაძლებლობებზე.

ლითიუმ-ჰაერის ბატარეებს აქვთ ენერგიის ულტრა მაღალი სიმკვრივის, ეკოლოგიურად სუფთა და დაბალი ფასის უპირატესობები, მაგრამ მათი კვლევა ჯერ კიდევ საწყის ეტაპზეა და ჯერ კიდევ ბევრი პრობლემაა გადასაჭრელი, როგორიცაა ჟანგბადის შემცირების რეაქციის კატალიზება, ჰაერის ელექტროდების ჟანგბადის გამტარიანობა და ჰიდროფობიურობა და ჰაერის ელექტროდების დეაქტივაცია და ა.შ.

② ლითიუმ-გოგირდის ბატარეა

ლითიუმ-გოგირდის ბატარეები ძირითადად იყენებენ ელემენტარულ გოგირდს ან გოგირდზე დაფუძნებულ ნაერთებს, როგორც ბატარეის პოზიტიურ ელექტროდს, ხოლო მეტალის ლითიუმი ძირითადად გამოიყენება უარყოფითი ელექტროდისთვის.გამონადენის პროცესში, ლითონის ლითიუმი, რომელიც მდებარეობს უარყოფით ელექტროდზე, იჟანგება ელექტრონის დასაკარგავად და ლითიუმის იონების წარმოქმნით;შემდეგ ელექტრონები გადაეცემა დადებით ელექტროდს გარე მიკროსქემის მეშვეობით, ხოლო წარმოქმნილი ლითიუმის იონები ასევე ელექტროლიტის მეშვეობით გადაეცემა დადებით ელექტროდს, რათა მოახდინოს რეაქცია გოგირდთან და წარმოქმნას პოლისულფიდი.ლითიუმი (LiPSs), შემდეგ კი შემდგომში რეაგირებენ ლითიუმის სულფიდის წარმოქმნით, რათა დასრულდეს გამონადენის პროცესი.დამუხტვის პროცესის დროს, ლითიუმის იონები LiPS-ებში უბრუნდებიან უარყოფით ელექტროდს ელექტროლიტის მეშვეობით, ხოლო ელექტრონები უარყოფით ელექტროდს უბრუნდებიან გარე მიკროსქემის მეშვეობით ლითიუმის ლითონთან ერთად ლითიუმის იონების წარმოქმნით, ხოლო LiPS-ები პოზიტიურ ელექტროდზე გოგირდად მცირდება. დატენვის პროცესი.

ლითიუმ-გოგირდოვანი ბატარეების განმუხტვის პროცესი ძირითადად წარმოადგენს მრავალსაფეხურიან, მრავალელექტრონულ, მრავალფაზიან კომპლექსურ ელექტროქიმიურ რეაქციას გოგირდის კათოდზე და სხვადასხვა ჯაჭვის სიგრძის LiPS-ები ერთმანეთში გარდაიქმნება დატენვა-განმუხტვის პროცესში.გამონადენის პროცესის დროს რეაქცია, რომელიც შეიძლება მოხდეს დადებით ელექტროდზე, ნაჩვენებია სურათზე 2, ხოლო რეაქცია უარყოფით ელექტროდზე ნაჩვენებია სურათზე 3.

ლითიუმ-გოგირდოვანი ბატარეების უპირატესობები ძალიან აშკარაა, მაგალითად, ძალიან მაღალი თეორიული ტევადობა;მასალაში არ არის ჟანგბადი და ჟანგბადის ევოლუციის რეაქცია არ მოხდება, ამიტომ უსაფრთხოების შესრულება კარგია;გოგირდის რესურსები უხვადაა და ელემენტარული გოგირდი იაფია;ის არის ეკოლოგიურად სუფთა და აქვს დაბალი ტოქსიკურობა.თუმცა, ლითიუმ-გოგირდის ბატარეებს ასევე აქვთ გარკვეული რთული პრობლემები, როგორიცაა ლითიუმ-პოლისულფიდის შატლის ეფექტი;ელემენტარული გოგირდის და მისი გამონადენი პროდუქტების იზოლაცია;დიდი მოცულობის ცვლილებების პრობლემა;ლითიუმის ანოდებით გამოწვეული არასტაბილური SEI და უსაფრთხოების პრობლემები;თვითგამონადენის ფენომენი და ა.შ.

როგორც მეორადი ბატარეის სისტემის ახალი თაობა, ლითიუმ-ჰაერის და ლითიუმ-გოგირდის ბატარეებს აქვთ ძალიან მაღალი თეორიული სპეციფიკური სიმძლავრის მნიშვნელობები და მიიპყრეს მკვლევართა და მეორადი ბატარეის ბაზრის დიდი ყურადღება.დღეისათვის ეს ორი ელემენტი ჯერ კიდევ მრავალი სამეცნიერო და ტექნიკური პრობლემის წინაშე დგას.ისინი ბატარეის განვითარების ადრეულ კვლევის ეტაპზე არიან.გარდა იმისა, რომ ბატარეის კათოდური მასალის სპეციფიკური სიმძლავრე და სტაბილურობა შემდგომი გაუმჯობესებაა საჭირო, სასწრაფოდ უნდა გადაწყდეს ისეთი ძირითადი საკითხები, როგორიცაა ბატარეის უსაფრთხოება.მომავალში, ამ ორი ახალი ტიპის ბატარეას ჯერ კიდევ სჭირდება მუდმივი ტექნიკური გაუმჯობესება მათი დეფექტების აღმოსაფხვრელად, რათა გაიხსნას გამოყენების ფართო პერსპექტივები.