ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികളുടെയും ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികളുടെയും അടിസ്ഥാന തത്വങ്ങൾ മനസ്സിലാക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു ലേഖനം

01 ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികളും ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികളും എന്താണ്?

① ലി-എയർ ബാറ്ററി

ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററി ഓക്സിജൻ പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് റിയാക്ടന്റായും മെറ്റൽ ലിഥിയം നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡായും ഉപയോഗിക്കുന്നു.ഇതിന് ഉയർന്ന സൈദ്ധാന്തിക ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത (3500wh/kg) ഉണ്ട്, അതിന്റെ യഥാർത്ഥ ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത 500-1000wh/kg വരെ എത്താം, ഇത് പരമ്പരാഗത ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററി സിസ്റ്റത്തേക്കാൾ വളരെ കൂടുതലാണ്.ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികൾ പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡുകൾ, ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ, നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡുകൾ എന്നിവ ചേർന്നതാണ്.ജലീയമല്ലാത്ത ബാറ്ററി സംവിധാനങ്ങളിൽ, ശുദ്ധമായ ഓക്സിജൻ നിലവിൽ പ്രതിപ്രവർത്തന വാതകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, അതിനാൽ ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികളെ ലിഥിയം-ഓക്സിജൻ ബാറ്ററികൾ എന്നും വിളിക്കാം.

1996-ൽ എബ്രഹാം തുടങ്ങിയവർ.ലബോറട്ടറിയിൽ ആദ്യത്തെ ജലീയമല്ലാത്ത ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററി വിജയകരമായി സമാഹരിച്ചു.തുടർന്ന് ഗവേഷകർ ആന്തരിക ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ പ്രതിപ്രവർത്തനത്തിലും ജലീയമല്ലാത്ത ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികളുടെ മെക്കാനിസത്തിലും ശ്രദ്ധ ചെലുത്താൻ തുടങ്ങി;2002-ൽ, റീഡ് et al.ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികളുടെ ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ പ്രകടനം ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ലായകത്തെയും എയർ കാഥോഡ് വസ്തുക്കളെയും ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നുവെന്ന് കണ്ടെത്തി;2006-ൽ, ഒഗസവാര et al.മാസ്സ് സ്പെക്ട്രോമീറ്റർ ഉപയോഗിച്ചു, ചാർജിംഗ് സമയത്ത് Li2O2 ഓക്സിഡൈസ് ചെയ്യപ്പെടുകയും ഓക്സിജൻ പുറത്തുവിടുകയും ചെയ്തുവെന്ന് ആദ്യമായി തെളിയിക്കപ്പെട്ടു, ഇത് Li2O2 ന്റെ ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ റിവേഴ്സിബിലിറ്റി സ്ഥിരീകരിച്ചു.അതിനാൽ, ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികൾക്ക് വളരെയധികം ശ്രദ്ധയും ദ്രുതഗതിയിലുള്ള വികസനവും ലഭിച്ചു.

② ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററി

 ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററി ഉയർന്ന നിർദ്ദിഷ്ട ശേഷിയുള്ള സൾഫറിന്റെയും (1675mAh/g) ലിഥിയം ലോഹത്തിന്റെയും (3860mAh/g) റിവേഴ്സിബിൾ പ്രതികരണത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഒരു ദ്വിതീയ ബാറ്ററി സംവിധാനമാണ്, ശരാശരി ഡിസ്ചാർജ് വോൾട്ടേജ് ഏകദേശം 2.15V ആണ്.അതിന്റെ സൈദ്ധാന്തിക ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത 2600wh/kg വരെ എത്താം.ഇതിന്റെ അസംസ്കൃത വസ്തുക്കൾക്ക് കുറഞ്ഞ ചെലവും പരിസ്ഥിതി സൗഹൃദവും ഉള്ള ഗുണങ്ങളുണ്ട്, അതിനാൽ ഇതിന് വലിയ വികസന സാധ്യതകളുണ്ട്.ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികളുടെ കണ്ടുപിടിത്തം 1960-കളിൽ ഹെർബെർട്ടും ഉലമും ബാറ്ററി പേറ്റന്റിനായി അപേക്ഷിച്ചപ്പോൾ കണ്ടെത്താനാകും.ഈ ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററിയുടെ പ്രോട്ടോടൈപ്പ് ലിഥിയം അല്ലെങ്കിൽ ലിഥിയം അലോയ് നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലായി ഉപയോഗിച്ചു, സൾഫർ പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലായി ഉപയോഗിച്ചു, അലിഫാറ്റിക് പൂരിത അമിനുകൾ അടങ്ങിയതാണ്.ഇലക്ട്രോലൈറ്റിന്റെ.കുറച്ച് വർഷങ്ങൾക്ക് ശേഷം, PC, DMSO, DMF തുടങ്ങിയ ജൈവ ലായകങ്ങൾ അവതരിപ്പിച്ച് ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികൾ മെച്ചപ്പെടുത്തി, 2.35-2.5V ബാറ്ററികൾ ലഭിച്ചു.1980-കളുടെ അവസാനത്തോടെ, ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികളിൽ ഈഥറുകൾ ഉപയോഗപ്രദമാണെന്ന് തെളിയിക്കപ്പെട്ടു.തുടർന്നുള്ള പഠനങ്ങളിൽ, ഈതർ അധിഷ്ഠിത ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളുടെ കണ്ടെത്തൽ, ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് അഡിറ്റീവായി LiNO3 ഉപയോഗം, കാർബൺ/സൾഫർ സംയുക്ത പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡുകൾ എന്നിവയുടെ നിർദ്ദേശം ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികളുടെ ഗവേഷണ കുതിച്ചുചാട്ടം തുറന്നു.

02 ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററിയുടെയും ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററിയുടെയും പ്രവർത്തന തത്വം

① ലി-എയർ ബാറ്ററി

ഉപയോഗിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോലൈറ്റിന്റെ വിവിധ അവസ്ഥകൾ അനുസരിച്ച്, ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികളെ ജലീയ സംവിധാനങ്ങൾ, ഓർഗാനിക് സിസ്റ്റങ്ങൾ, ജല-ഓർഗാനിക് ഹൈബ്രിഡ് സിസ്റ്റങ്ങൾ, ഓൾ-സോളിഡ്-സ്റ്റേറ്റ് ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികൾ എന്നിങ്ങനെ തിരിക്കാം.അവയിൽ, ജലത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്ന ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികളുടെ കുറഞ്ഞ നിർദ്ദിഷ്ട ശേഷി, ലിഥിയം ലോഹത്തെ സംരക്ഷിക്കുന്നതിലെ ബുദ്ധിമുട്ടുകൾ, സിസ്റ്റത്തിന്റെ മോശം റിവേഴ്സിബിലിറ്റി, ജലീയമല്ലാത്ത ഓർഗാനിക് ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികൾ, ഓൾ-സോളിഡ്-സ്റ്റേറ്റ് ലിഥിയം-എയർ എന്നിവ കാരണം. ബാറ്ററികൾ ഇപ്പോൾ കൂടുതൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.ഗവേഷണം.1996-ൽ എബ്രഹാമും Z. ജിയാങ്ങും ചേർന്നാണ് ജലീയമല്ലാത്ത ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികൾ ആദ്യമായി നിർദ്ദേശിച്ചത്. ഡിസ്ചാർജ് പ്രതികരണ സമവാക്യം ചിത്രം 1-ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. ചാർജിംഗ് പ്രതികരണം വിപരീതമാണ്.ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് പ്രധാനമായും ഓർഗാനിക് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് അല്ലെങ്കിൽ സോളിഡ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ഉപയോഗിക്കുന്നു, കൂടാതെ ഡിസ്ചാർജ് ഉൽപ്പന്നം പ്രധാനമായും Li2O2 ആണ്, ഉൽപ്പന്നം ഇലക്ട്രോലൈറ്റിൽ ലയിക്കില്ല, കൂടാതെ എയർ പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിൽ ശേഖരിക്കാൻ എളുപ്പമാണ്, ഇത് ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററിയുടെ ഡിസ്ചാർജ് ശേഷിയെ ബാധിക്കുന്നു.

ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികൾക്ക് അൾട്രാ-ഹൈ എനർജി ഡെൻസിറ്റി, പാരിസ്ഥിതിക സൗഹൃദം, കുറഞ്ഞ വില എന്നിവയുടെ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, പക്ഷേ അവയുടെ ഗവേഷണം ഇപ്പോഴും ശൈശവാവസ്ഥയിലാണ്, ഓക്സിജൻ റിഡക്ഷൻ റിയാക്ഷന്റെ കാറ്റാലിസിസ് പോലെയുള്ള നിരവധി പ്രശ്നങ്ങൾ പരിഹരിക്കാനുണ്ട്. എയർ ഇലക്ട്രോഡുകളുടെ ഓക്സിജൻ പ്രവേശനക്ഷമതയും ഹൈഡ്രോഫോബിസിറ്റിയും, എയർ ഇലക്ട്രോഡുകളുടെ നിർജ്ജീവവും മുതലായവ.

② ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററി

ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികൾ പ്രധാനമായും ബാറ്ററിയുടെ പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലായി മൂലക സൾഫർ അല്ലെങ്കിൽ സൾഫർ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള സംയുക്തങ്ങൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു, കൂടാതെ മെറ്റാലിക് ലിഥിയം പ്രധാനമായും നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിനായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.ഡിസ്ചാർജ് പ്രക്രിയയിൽ, നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിൽ സ്ഥിതി ചെയ്യുന്ന ലോഹം ലിഥിയം ഇലക്ട്രോൺ നഷ്ടപ്പെടുകയും ലിഥിയം അയോണുകൾ സൃഷ്ടിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു;പിന്നീട് ഇലക്ട്രോണുകൾ ബാഹ്യ സർക്യൂട്ടിലൂടെ പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിലേക്ക് മാറ്റുന്നു, കൂടാതെ ജനറേറ്റഡ് ലിഥിയം അയോണുകൾ ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലൂടെ പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിലേക്ക് മാറ്റി സൾഫറുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിച്ച് പോളിസൾഫൈഡ് രൂപപ്പെടുന്നു.ലിഥിയം (LiPSs), തുടർന്ന് ഡിസ്ചാർജ് പ്രക്രിയ പൂർത്തിയാക്കാൻ ലിഥിയം സൾഫൈഡ് ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ കൂടുതൽ പ്രതികരിക്കുക.ചാർജിംഗ് പ്രക്രിയയിൽ, LiPS-കളിലെ ലിഥിയം അയോണുകൾ ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലൂടെ നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിലേക്ക് മടങ്ങുന്നു, അതേസമയം ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒരു ബാഹ്യ സർക്യൂട്ടിലൂടെ നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിലേക്ക് മടങ്ങുകയും ലിഥിയം അയോണുകളുള്ള ലിഥിയം ലോഹം രൂപപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു. ചാർജിംഗ് പ്രക്രിയ.

ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികളുടെ ഡിസ്ചാർജ് പ്രക്രിയ പ്രധാനമായും സൾഫർ കാഥോഡിലെ മൾട്ടി-സ്റ്റെപ്പ്, മൾട്ടി-ഇലക്ട്രോൺ, മൾട്ടി-ഫേസ് കോംപ്ലക്സ് ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ പ്രതികരണമാണ്, കൂടാതെ ചാർജ്-ഡിസ്ചാർജ് പ്രക്രിയയിൽ വ്യത്യസ്ത ചെയിൻ ദൈർഘ്യമുള്ള LiPS-കൾ പരസ്പരം രൂപാന്തരപ്പെടുന്നു.ഡിസ്ചാർജ് പ്രക്രിയയിൽ, പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിൽ സംഭവിക്കാവുന്ന പ്രതികരണം ചിത്രം 2-ലും നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡിലെ പ്രതികരണം ചിത്രം 3-ലും കാണിച്ചിരിക്കുന്നു.

ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികളുടെ ഗുണങ്ങൾ വളരെ വ്യക്തമാണ്, വളരെ ഉയർന്ന സൈദ്ധാന്തിക ശേഷി പോലെ;മെറ്റീരിയലിൽ ഓക്സിജൻ ഇല്ല, ഓക്സിജൻ പരിണാമ പ്രതികരണം സംഭവിക്കില്ല, അതിനാൽ സുരക്ഷാ പ്രകടനം നല്ലതാണ്;സൾഫർ വിഭവങ്ങൾ സമൃദ്ധമാണ്, മൂലക സൾഫർ വിലകുറഞ്ഞതാണ്;ഇത് പരിസ്ഥിതി സൗഹൃദവും കുറഞ്ഞ വിഷാംശവുമാണ്.എന്നിരുന്നാലും, ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികൾക്ക് ലിഥിയം പോളിസൾഫൈഡ് ഷട്ടിൽ ഇഫക്റ്റ് പോലെയുള്ള ചില വെല്ലുവിളി നിറഞ്ഞ പ്രശ്നങ്ങളുമുണ്ട്;മൂലക സൾഫറിന്റെയും അതിന്റെ ഡിസ്ചാർജ് ഉൽപ്പന്നങ്ങളുടെയും ഇൻസുലേഷൻ;വലിയ വോളിയം മാറ്റങ്ങളുടെ പ്രശ്നം;ലിഥിയം ആനോഡുകൾ മൂലമുണ്ടാകുന്ന അസ്ഥിരമായ SEI, സുരക്ഷാ പ്രശ്നങ്ങൾ;സ്വയം ഡിസ്ചാർജ് പ്രതിഭാസം മുതലായവ.

ഒരു പുതിയ തലമുറ ദ്വിതീയ ബാറ്ററി സംവിധാനമെന്ന നിലയിൽ, ലിഥിയം-എയർ ബാറ്ററികൾക്കും ലിഥിയം-സൾഫർ ബാറ്ററികൾക്കും വളരെ ഉയർന്ന സൈദ്ധാന്തിക നിർദ്ദിഷ്ട ശേഷി മൂല്യങ്ങളുണ്ട്, മാത്രമല്ല ഗവേഷകരിൽ നിന്നും സെക്കൻഡറി ബാറ്ററി വിപണിയിൽ നിന്നും വിപുലമായ ശ്രദ്ധ ആകർഷിച്ചു.നിലവിൽ, ഈ രണ്ട് ബാറ്ററികളും ഇപ്പോഴും നിരവധി ശാസ്ത്രീയവും സാങ്കേതികവുമായ പ്രശ്നങ്ങൾ നേരിടുന്നു.ബാറ്ററി വികസനത്തിന്റെ പ്രാരംഭ ഗവേഷണ ഘട്ടത്തിലാണ് അവ.ബാറ്ററി കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലിന്റെ നിർദ്ദിഷ്ട ശേഷിയും സ്ഥിരതയും കൂടുതൽ മെച്ചപ്പെടുത്തേണ്ടതുണ്ട്, കൂടാതെ ബാറ്ററി സുരക്ഷ പോലുള്ള പ്രധാന പ്രശ്നങ്ങളും അടിയന്തിരമായി പരിഹരിക്കേണ്ടതുണ്ട്.ഭാവിയിൽ, വിശാലമായ ആപ്ലിക്കേഷൻ സാധ്യതകൾ തുറക്കുന്നതിന് ഈ രണ്ട് പുതിയ തരം ബാറ്ററികൾക്ക് അവയുടെ വൈകല്യങ്ങൾ ഇല്ലാതാക്കാൻ തുടർച്ചയായ സാങ്കേതിക പുരോഗതി ആവശ്യമാണ്.