01 Que sont les batteries lithium-air et les batteries lithium-soufre ?
① Batterie Li-air
La batterie lithium-air utilise de l'oxygène comme réactif d'électrode positive et du lithium métallique comme électrode négative.Il a une densité d'énergie théorique élevée (3500wh/kg) et sa densité d'énergie réelle peut atteindre 500-1000wh/kg, ce qui est beaucoup plus élevé que le système de batterie lithium-ion conventionnel.Les batteries lithium-air sont composées d'électrodes positives, d'électrolytes et d'électrodes négatives.Dans les systèmes de batteries non aqueuses, l'oxygène pur est actuellement utilisé comme gaz de réaction, de sorte que les batteries lithium-air peuvent également être appelées batteries lithium-oxygène.
En 1996, Abraham et al.assemblé avec succès la première batterie lithium-air non aqueuse en laboratoire.Ensuite, les chercheurs ont commencé à prêter attention à la réaction électrochimique interne et au mécanisme des batteries lithium-air non aqueuses;en 2002, Read et al.constaté que les performances électrochimiques des batteries lithium-air dépendaient du solvant de l'électrolyte et des matériaux de la cathode à air ;en 2006, Ogasawara et al.spectromètre de masse utilisé, il a été prouvé pour la première fois que le Li2O2 était oxydé et que de l'oxygène était libéré pendant la charge, ce qui a confirmé la réversibilité électrochimique du Li2O2.Par conséquent, les batteries lithium-air ont reçu beaucoup d'attention et un développement rapide.
② Batterie lithium-soufre
La batterie au lithium-soufre est un système de batterie secondaire basé sur la réaction réversible du soufre à haute capacité spécifique (1675 mAh/g) et du lithium métal (3860 mAh/g), avec une tension de décharge moyenne d'environ 2,15 V.Sa densité énergétique théorique peut atteindre 2600wh/kg.Ses matières premières présentent les avantages d'un faible coût et du respect de l'environnement, ce qui lui confère un grand potentiel de développement.L'invention des batteries au lithium-soufre remonte aux années 1960, lorsque Herbert et Ulam ont déposé une demande de brevet de batterie.Le prototype de cette batterie lithium-soufre utilisait du lithium ou un alliage de lithium comme matériau d'électrode négative, du soufre comme matériau d'électrode positive et composé d'amines saturées aliphatiques.d'électrolyte.Quelques années plus tard, les batteries lithium-soufre ont été améliorées en introduisant des solvants organiques tels que le PC, le DMSO et le DMF, et des batteries 2,35-2,5V ont été obtenues.À la fin des années 1980, les éthers se sont avérés utiles dans les batteries lithium-soufre.Dans des études ultérieures, la découverte d'électrolytes à base d'éther, l'utilisation de LiNO3 comme additif d'électrolyte et la proposition d'électrodes positives composites carbone/soufre ont ouvert le boom de la recherche sur les batteries lithium-soufre.
02 Principe de fonctionnement de la batterie lithium-air et de la batterie lithium-soufre
① Batterie Li-air
Selon les différents états de l'électrolyte utilisé, les batteries lithium-air peuvent être divisées en systèmes aqueux, systèmes organiques, systèmes hybrides eau-organique et batteries lithium-air tout solide.Parmi eux, du fait de la faible capacité spécifique des batteries lithium-air utilisant des électrolytes à base d'eau, des difficultés de protection du lithium métal, et de la mauvaise réversibilité du système, les batteries lithium-air organiques non aqueuses et lithium-air tout solide les piles sont plus largement utilisées à l'heure actuelle.Recherche.Les batteries lithium-air non aqueuses ont été proposées pour la première fois par Abraham et Z.Jiang en 1996. L'équation de la réaction de décharge est illustrée à la figure 1. La réaction de charge est l'inverse.L'électrolyte utilise principalement un électrolyte organique ou un électrolyte solide, et le produit de décharge est principalement Li2O2, le produit est insoluble dans l'électrolyte et s'accumule facilement sur l'électrode positive à air, affectant la capacité de décharge de la batterie lithium-air.
Les batteries lithium-air présentent les avantages d'une densité d'énergie ultra-élevée, du respect de l'environnement et d'un prix bas, mais leur recherche en est encore à ses balbutiements et il reste encore de nombreux problèmes à résoudre, tels que la catalyse de la réaction de réduction de l'oxygène, le la perméabilité à l'oxygène et l'hydrophobicité des électrodes à air, et la désactivation des électrodes à air, etc.
② Batterie lithium-soufre
Les batteries au lithium-soufre utilisent principalement du soufre élémentaire ou des composés à base de soufre comme matériau d'électrode positive de la batterie, et le lithium métallique est principalement utilisé pour l'électrode négative.Pendant le processus de décharge, le lithium métallique situé à l'électrode négative est oxydé pour perdre un électron et générer des ions lithium ;ensuite, les électrons sont transférés à l'électrode positive via le circuit externe, et les ions lithium générés sont également transférés vers l'électrode positive via l'électrolyte pour réagir avec le soufre pour former du polysulfure.Lithium (LiPS), puis réagir davantage pour générer du sulfure de lithium afin de terminer le processus de décharge.Pendant le processus de charge, les ions lithium dans les LiPS retournent à l'électrode négative via l'électrolyte, tandis que les électrons retournent vers l'électrode négative via un circuit externe pour former du lithium métal avec des ions lithium, et les LiPS sont réduits en soufre à l'électrode positive pour compléter le processus de charge.
Le processus de décharge des batteries lithium-soufre est principalement une réaction électrochimique complexe multi-étapes, multi-électrons et multi-phases sur la cathode de soufre, et les LiPS avec différentes longueurs de chaîne sont transformés les uns dans les autres pendant le processus de charge-décharge.Pendant le processus de décharge, la réaction qui peut se produire à l'électrode positive est illustrée à la figure 2, et la réaction à l'électrode négative est illustrée à la figure 3.
Les avantages des batteries lithium-soufre sont très évidents, comme une capacité théorique très élevée ;il n'y a pas d'oxygène dans le matériau et la réaction de dégagement d'oxygène ne se produira pas, de sorte que les performances de sécurité sont bonnes ;les ressources en soufre sont abondantes et le soufre élémentaire est bon marché ;il est respectueux de l'environnement et a une faible toxicité.Cependant, les batteries au lithium-soufre ont également des problèmes difficiles, tels que l'effet de navette au lithium polysulfure ;l'isolation du soufre élémentaire et de ses produits de décharge ;le problème des changements de volume importants ;le SEI instable et les problèmes de sécurité causés par les anodes au lithium ;phénomène d'auto-décharge, etc.
En tant que nouvelle génération de système de batterie secondaire, les batteries lithium-air et les batteries lithium-soufre ont des valeurs de capacité spécifiques théoriques très élevées et ont attiré l'attention des chercheurs et du marché des batteries secondaires.A l'heure actuelle, ces deux batteries sont encore confrontées à de nombreux problèmes scientifiques et techniques.Ils en sont au stade de recherche précoce du développement de la batterie.En plus de la capacité et de la stabilité spécifiques du matériau de la cathode de la batterie qui doivent encore être améliorées, des problèmes clés tels que la sécurité de la batterie doivent également être résolus de toute urgence.A l'avenir, ces deux nouveaux types de batteries nécessitent encore une amélioration technique continue pour éliminer leurs défauts afin d'ouvrir des perspectives d'application plus larges.
Heure de publication : 07 avril 2023