リチウム空気電池とリチウム硫黄電池

中国のエネルギー貯蔵ネットニュース：現在のリチウムイオン電池の研究の焦点は、主にリチウム空気電池とリチウム硫黄電池にあり、どちらも新世代のリチウム電池の開発の可能性が最も高いと考えられています。構造と反応機構のリチウムイオン電池のカソード材料の代わりにそれらは非常に大きな違いがあります。

1.リチウム空気電池

リチウム空気電池は、金属空気電池の1つであり、活物質として最低分子量のリチウム金属を使用しているため、理論比エネルギーが非常に高くなっています。11140wh/ kgの酸素品質を計算しないでください。実際には、利用可能なエネルギー密度も1700wh / kgに達し、他のバッテリーシステムよりもはるかに高くなります。下の図に示すように、リチウム空気バッテリーの基本構造と動作メカニズム。


電解質の状態を利用したリチウム空気電池は異なり、主に水系、有機系、水-有機ハイブリッド系、固体リチウム空気電池に分けられます。有機系ではリチウム空気電池が動作し、内部材料O2多孔質空気電極を介してバッテリーに入ると、電極表面はO2-またはO22-に触媒作用を及ぼし、電解質中のLi +、リチウム生成過酸化物（Li2O2）またはリチウム酸化物（Li2O）と結合し、空気電極表面に生成物が堆積します。バッテリーの放電終了後、空気電極穴内のすべての空気が製品によって遮断された場合電極の反応を以下に示します。

正：O2 + e --li + 2 + 2？Li2O2; O2 + 4 e- + 4 li +？2 li2o

ネガティブ：Li？Li ++ e-

総応答：2 li + O2？Li2O2（2.96 V）; 4 li + O2？2 li2o（2.91 V）

リチウム空気電池は、比類のない超高エネルギー密度、環境にやさしい、そして価格が安いので利点を待ちますが、その研究は第一段階であるため、多くの厄介な問題が主に含まれます：

（1）正の反応には触媒が必要です。触媒が存在せず、酸素の還元が遅い放電プロセス。充電プロセスのプラットフォームは4 v程度であるため、電解質の分解や副作用が発生しやすくなります。細胞反応を助けるために適切な触媒を使用する必要があります。

（2）リチウム空気電池はオープンシステムであり、電解質の揮発、電解液の酸素や空気中の水分、CO2が金属リチウムと反応するなどの一連の致命的な問題を引き起こす可能性があります。

（3）空気電極チャネルの輻輳の問題生成された放電は電解液に溶解せず、Li2OとLi2O2が空気電極に蓄積し、空気チャネルをブロックし、空気電極の非アクティブ化、放電端になります。

要約すると、リチウム電池には、触媒作用の酸素還元反応、空気を介した疎水性酸素電極、空気電極の失活など、空気中で解決すべき多くの問題があります。リチウム空気電池はある程度進歩していますが、実際のアプリケーションまだ長い道のりがあります。

2.リチウム硫黄電池

1970年代に始まったリチウム電池の研究ですが、リチウム硫黄電池の実際の容量は高くなく、深刻な減衰は深刻に受け止められていません。2009年、LindaF。ナザールグループは、より良い循環と高い放電容量のためのリチウム電池カソード材料としての硫黄炭素化合物がリチウム電池研究の熱い波を引き起こしたと報告しました。リチウム硫黄電池は主に元素硫黄または電池カソード材料のハーバードで使用され、アノードは金属リチウムを主に使用します、示されているようにそのバッテリー構造。


元素硫黄（主にS8リング形態）のアノード材料では、その理論比容量は1675 mah / g、理論放電電圧は2.287 V、理論エネルギー密度は2600 wh / kgです。充電および放電時の電極反応が示されています。未満：

ポジティブ：S8（s）+ e --li + 2 + 2？Li2S8;

Li2S8 + 2e- + 2Li +？2Li2S4;

Li2S4 + 2e- + 2Li +？2Li2S2（s）;

Li2S2（s）+ 2e- + 2Li +？2Li2S（s）

ネガティブ：Li？Li ++ e-

総反応：S8 e-（s）+ 16 + 16 li +？8 li2s（s）

リチウム硫黄電池の場合、アノード材料の反応は、示されているように、複数の電子、段階的な多段階反応です。


たとえば、硫黄の排出プロセスは2つの段階に分けることができます。まず、Li +液体を含む固体元素硫黄S8Li2S8です。排出の程度が深まると、可溶性Li2S6が最終的に可溶性Li2S4を生成します。 2.4 V〜2.1 Vプラットフォームの電圧、液体材料の形成プロセス、反応速度が速くなります。その後、2.1 V電圧プラットフォームで、可溶性Li2S4が不溶性固相Li2S2に放電され、最終的に固体の最終生成物が生成されます。 -フェーズLi2Sは、この段階で固体が生成を開始するため、イオン拡散が遅くなり、反応速度が遅くなります。リチウムイオン電池の従来の材料とは異なり、リチウム電池の充電と、元素硫黄および硫化物硫黄中間体の放電後ポリサルファイドリチウムLi2Sx（x = 2-8）であり、充電と放電の間に埋め込まれ、前後に埋め込まれるアノード材料およびアノード材料のリチウムイオンではないため、liリチウムイオンの正極材料が埋め込まれた能力を発揮することにより影響を受けるリチウム硫黄電池の性能。

リチウム硫黄電池の利点は非常に明白です：非常に高い理論容量を持っています;酸素がない、材料は酸素発生反応を生成しないので、それは良い安全性です;硫黄資源と元素硫黄価格は非常に低いです;環境にやさしく、毒性は低いですがリチウム硫黄電池の実際のアプリケーションは、主に次のようないくつかの問題に直面しています。

悪い：（1）8 Sの元素硫黄の導電率とガイドリチウム硫黄分子が互いに結合して冠状動脈S8を形成し、典型的な電子、イオン絶縁体に属し、室温での導電率はわずか5 x 10〜30 S / cm 。製品とLi2S2とLi2Sも電気絶縁体です。活物質の使用率は高くなく、性能が低下します。現在、主にリチウム硫黄電池の導電率を解決するために小さなサイズの硫黄炭素複合材料を準備しています。バッテリーアノード材料とリチウムの性的問題の実施。

シャトル効果：（2）リチウム電池の充電および放電プロセスでのポリサルファイドリチウム硫黄、ポリサルファイドリチウムLi2Sx（4 "x 8）以下の長鎖は、ダイアフラムを介して電解液に溶解し、カソードの還元を実現し、短鎖ポリサルファイドリチウムLi2Sx（<2 x 4以下）、および不溶性Li2S2、Li2S、カソードの腐食ポリサルファイドリチウムの可溶性は、ダイアフラムを介してアノードに戻り、シャトルと呼ばれる現象を往復することもあります示されているように、ポリサルファイドリチウムの効果。この効果は、リチウム硫黄電池の活物質の自己放電を引き起こし、材料クーロン効率が高くない原因となります。


（3）体積膨張の問題：硫化リチウムに完全に帯電すると、硫黄76％の体積膨張は、アノード材料の構造を破壊しやすく、活物質の安定性に影響を与え、容量の減衰を引き起こします。

（4）リチウム金属アノード：硫黄自体にはリチウム原子が含まれていないため、アノード材料としてリチウム金属元素を使用する必要がありますが、必然的にリチウムデンドライトの問題が発生し、安全な隠れた問題が発生します。

リチウム硫黄電池にはまだ問題がありますが、近年、リチウム硫黄電池の研究が深まるにつれ、硫黄還元による粒子径、コーティング用硫黄材料、リチウム硫黄炭素複合材料の調製、多硫化物吸収用など、さまざまな改良が行われています。硫黄材料の容量や真円度を改善するための電解質などの対策は、多くの進歩を遂げました。

過去30年間で、リチウム電気プールは急速な発展を遂げ、二次電池のリチウムイオン電池システムに代表されるように、さまざまな小型携帯型電子機器の電源になり、電子製品はスマートフォン、タブレット、デジタルカメラ、ラップトップ、その他の携帯機器が広く普及社会の発展に伴い、大型電気機器の需要が高まる中、二次電池はリチウムイオン電池のアノード材料の理論上、電力の限界値は低い大型電気機器の供給システムは限られています。リチウム電池とリチウム電池空気システムは、新世代の二次電池は理論上の比容量値が非常に高いため、研究者や二次電池市場の注目を集めていますが、現在のリチウム空気電池とリチウム電池の研究は、特定のCAに加えて、まだ開発段階にあります電池の陰極材料の不足と安定性をさらに改善する必要があるため、電池などの安全上の重要な問題を解決する必要があります。この種のコアを把握するのに役立つリチウム電池の陰極材料の動作原理を理解するために電池研究の問題、電池カソード材料の開発をマスターする。

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