01 リチウム空気電池・リチウム硫黄電池とは何ですか?
① リチウム空気電池
リチウム空気電池は、正極反応物質として酸素を使用し、負極として金属リチウムを使用します。理論上のエネルギー密度（3500wh/kg）が高く、実際のエネルギー密度は500～1000wh/kgに達する可能性があり、これは従来のリチウムイオン電池システムよりもはるかに高いです。リチウム空気電池は、正極、電解質、負極で構成されています。現在、非水電池システムでは反応ガスとして純酸素が使用されているため、リチウム空気電池はリチウム酸素電池とも呼ばれます。
1996 年に、エイブラハムら。初の非水リチウム空気電池を実験室で組み立てることに成功した。その後、研究者たちは、非水リチウム空気電池の内部電気化学反応とメカニズムに注目し始めました。2002 年にリードら。リチウム空気電池の電気化学的性能は、電解質溶媒と空気正極材料に依存することを発見しました。2006 年、小笠原ら。質量分析計を使用した結果、充電中に Li2O2 が酸化され、酸素が放出されることが初めて証明され、Li2O2 の電気化学的可逆性が確認されました。したがって、リチウム空気電池は大きな注目を集めており、急速に開発されています。
② リチウム硫黄電池
リチウム硫黄電池は、高比容量硫黄 (1675mAh/g) とリチウム金属 (3860mAh/g) の可逆反応に基づく二次電池システムで、平均放電電圧は約 2.15V です。理論上のエネルギー密度は 2600wh/kg に達します。その原料は低コストで環境に優しいという利点があり、大きな開発の可能性があります。リチウム硫黄電池の発明は、ハーバートとウラムが電池の特許を申請した 1960 年代に遡ります。このリチウム硫黄電池のプロトタイプは、負極材料としてリチウムまたはリチウム合金、正極材料として硫黄を使用し、脂肪族飽和アミンで構成されていました。電解質の。数年後、リチウム硫黄電池は PC、DMSO、DMF などの有機溶媒の導入により改良され、2.35 ～ 2.5V の電池が得られました。1980 年代後半までに、エーテルはリチウム硫黄電池に有用であることが証明されました。その後の研究では、エーテルベースの電解質の発見、電解質添加剤としての LiNO3 の使用、および炭素/硫黄複合正極の提案により、リチウム硫黄電池の研究ブームが開かれました。
02 リチウム空気電池とリチウム硫黄電池の動作原理
① リチウム空気電池
使用される電解質の状態の違いにより、リチウム空気電池は水系、有機系、水・有機ハイブリッド系、全固体リチウム空気電池に分類されます。中でも、水系電解液を用いたリチウム空気電池は比容量が低く、リチウム金属の保護が難しく、系の可逆性が低いため、非水系有機リチウム空気電池や全固体リチウム空気電池が注目されている。現在では電池の方が広く使われています。リサーチ。非水リチウム空気電池は、1996 年に Abraham と Z.Jiang によって初めて提案されました。放電反応式を図 1 に示します。充電反応はその逆です。電解質には主に有機電解質または固体電解質が使用され、放電生成物は主にLi2O2であり、生成物は電解質に不溶で、空気正極に蓄積しやすく、リチウム空気電池の放電容量に影響を与えます。
リチウム空気電池は、超高エネルギー密度、環境に優しい、低価格などの利点を持っていますが、その研究はまだ初期段階にあり、酸素還元反応の触媒作用や、空気極の酸素透過性や疎水性、空気極の失活など。
② リチウム硫黄電池
リチウム硫黄電池は、電池の正極材料として主に元素硫黄または硫黄ベースの化合物を使用し、負極には主に金属リチウムが使用されます。放電プロセス中に、負極にある金属リチウムが酸化されて電子を失い、リチウムイオンが生成されます。その後、電子は外部回路を介して正極に伝達され、生成されたリチウムイオンも電解質を介して正極に伝達され、硫黄と反応して多硫化物を形成します。リチウム (LiPS) がさらに反応して硫化リチウムが生成され、放電プロセスが完了します。充電プロセス中、LiPS 内のリチウムイオンは電解質を通って負極に戻り、電子は外部回路を通って負極に戻ってリチウムイオンとリチウム金属を形成し、LiPS は正極で硫黄に還元されて充電が完了します。充電プロセス。
リチウム硫黄電池の放電プロセスは、主に硫黄正極での多段階、多電子、多相の複雑な電気化学反応であり、充放電プロセス中に鎖長の異なる LiPS が相互に変換されます。放電プロセス中に、正極で発生する可能性のある反応を図 2 に示し、負極での反応を図 3 に示します。
リチウム硫黄電池の利点は、非常に高い理論容量など、非常に明白です。材料中に酸素が存在せず、酸素発生反応が起こらないため、安全性能が優れています。硫黄資源は豊富で、単体硫黄は安価です。環境に優しく、毒性も低いです。しかし、リチウム硫黄電池には、多硫化リチウムのシャトル効果など、いくつかの困難な問題もあります。元素硫黄とその放電生成物の断熱。大量の変更の問題。リチウムアノードによって引き起こされる不安定なSEIと安全性の問題。自己放電現象など
リチウム空気電池およびリチウム硫黄電池は、新世代の二次電池システムとして、理論比容量が非常に高く、研究者や二次電池市場から大きな注目を集めています。現在、これら 2 つの電池は依然として多くの科学技術的問題に直面しています。これらは電池開発の初期研究段階にあります。バッテリー正極材料の比容量と安定性をさらに改善する必要があることに加えて、バッテリーの安全性などの重要な問題も早急に解決する必要があります。将来的に、これら 2 つの新しいタイプの電池は、より広範な用途の可能性を開くために、欠陥を解消するための継続的な技術的改善が依然として必要です。
投稿時間: 2023 年 4 月 7 日