บทความเพื่อทำความเข้าใจหลักการพื้นฐานของแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์และแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์

01 แบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์และแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์คืออะไร?

① แบตเตอรี่ Li-air

แบตเตอรี่ลิเธียมแอร์ใช้ออกซิเจนเป็นสารตั้งต้นที่เป็นขั้วบวกและโลหะลิเธียมเป็นขั้วลบมีความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎีสูง (3500wh/kg) และความหนาแน่นของพลังงานจริงสามารถสูงถึง 500-1000wh/kg ซึ่งสูงกว่าระบบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปมากแบตเตอรี่ลิเธียมแอร์ประกอบด้วยขั้วบวก อิเล็กโทรไลต์ และขั้วลบในระบบแบตเตอรี่ที่ไม่มีน้ำ ปัจจุบันใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์เป็นก๊าซปฏิกิริยา ดังนั้น แบตเตอรี่ลิเธียมแอร์จึงเรียกอีกอย่างว่าแบตเตอรี่ลิเธียมออกซิเจน

ในปี 1996 อับราฮัมและคณะประกอบแบตเตอรี่ลิเธียมแอร์แบบไม่มีน้ำก้อนแรกในห้องปฏิบัติการได้สำเร็จจากนั้นนักวิจัยก็เริ่มให้ความสนใจกับปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีภายในและกลไกของแบตเตอรี่ลิเธียมแอร์แบบไม่มีน้ำในปี 2545 Read et al.พบว่าประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์ขึ้นอยู่กับตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์และวัสดุแคโทดในอากาศในปี 2549 Ogasawara และคณะใช้แมสสเปกโตรมิเตอร์ ได้รับการพิสูจน์เป็นครั้งแรกว่า Li2O2 ถูกออกซิไดซ์และออกซิเจนถูกปล่อยออกมาระหว่างการชาร์จ ซึ่งยืนยันการย้อนกลับทางเคมีไฟฟ้าของ Li2O2ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมแอร์จึงได้รับความสนใจและพัฒนาอย่างรวดเร็ว

② แบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์

 แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์เป็นระบบแบตเตอรี่สำรองที่อิงจากปฏิกิริยาย้อนกลับของกำมะถันความจุจำเพาะสูง (1675mAh/g) และโลหะลิเธียม (3860mAh/g) โดยมีแรงดันไฟจ่ายเฉลี่ยประมาณ 2.15Vความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎีสามารถเข้าถึง 2,600wh/kgวัตถุดิบของบริษัทมีข้อได้เปรียบในด้านต้นทุนที่ต่ำและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นจึงมีศักยภาพในการพัฒนาที่ดีการประดิษฐ์แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์สามารถย้อนไปถึงช่วงปี 1960 เมื่อ Herbert และ Ulam ยื่นขอสิทธิบัตรแบตเตอรี่ต้นแบบของแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์นี้ใช้ลิเธียมหรือโลหะผสมลิเธียมเป็นวัสดุอิเล็กโทรดลบ ซัลเฟอร์เป็นวัสดุอิเล็กโทรดบวก และประกอบด้วยอะลิฟาติกอิ่มตัวเอมีนของอิเล็กโทรไลต์ไม่กี่ปีต่อมา แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ได้รับการปรับปรุงโดยการใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น PC, DMSO และ DMF และได้รับแบตเตอรี่ 2.35-2.5Vในช่วงปลายทศวรรษ 1980 อีเทอร์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ในแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ในการศึกษาต่อมา การค้นพบอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้อีเธอร์ การใช้ LiNO3 เป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ และข้อเสนอของอิเล็กโทรดบวกที่มีส่วนประกอบของคาร์บอน/กำมะถันได้เปิดช่องทางการวิจัยของแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์

02 หลักการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์และแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์

① แบตเตอรี่ Li-air

ตามสถานะต่างๆ ของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ แบตเตอรี่ลิเธียมแอร์สามารถแบ่งออกเป็นระบบน้ำ ระบบอินทรีย์ ระบบไฮบริดอินทรีย์น้ำ และแบตเตอรี่ลิเธียมแอร์โซลิดสเตตทั้งหมดเนื่องจากความจุจำเพาะต่ำของแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์แบบน้ำ ความยากลำบากในการปกป้องโลหะลิเธียม และการย้อนกลับของระบบที่ไม่ดี แบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์ออร์แกนิคที่ไม่มีน้ำ ปัจจุบันมีการใช้แบตเตอรี่กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นวิจัย.แบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศแบบไม่มีน้ำถูกเสนอครั้งแรกโดย Abraham และ Z.Jiang ในปี 1996 สมการปฏิกิริยาการคายประจุแสดงในรูปที่ 1 ปฏิกิริยาการชาร์จนั้นตรงกันข้ามอิเล็กโทรไลต์ส่วนใหญ่ใช้อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์หรืออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง และผลิตภัณฑ์ที่ปล่อยออกมาส่วนใหญ่เป็น Li2O2 ผลิตภัณฑ์นี้ไม่ละลายในอิเล็กโทรไลต์ และง่ายต่อการสะสมบนขั้วไฟฟ้าบวกของอากาศ ซึ่งส่งผลต่อความสามารถในการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมแอร์

แบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์มีข้อดีคือมีความหนาแน่นของพลังงานสูงเป็นพิเศษ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และราคาถูก แต่การวิจัยของพวกเขายังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และยังมีปัญหามากมายที่ต้องแก้ไข เช่น การเร่งปฏิกิริยาของปฏิกิริยาการลดออกซิเจน การ การซึมผ่านของออกซิเจนและความไม่ชอบน้ำของอิเล็กโทรดอากาศ และการปิดการทำงานของอิเล็กโทรดอากาศ เป็นต้น

② แบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์

แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ส่วนใหญ่ใช้ธาตุกำมะถันหรือสารประกอบที่มีกำมะถันเป็นหลักเป็นวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกของแบตเตอรี่ และลิเธียมโลหะส่วนใหญ่จะใช้เป็นอิเล็กโทรดลบในระหว่างกระบวนการคายประจุ โลหะลิเธียมที่อยู่ที่ขั้วลบจะถูกออกซิไดซ์เพื่อสูญเสียอิเล็กตรอนและสร้างไอออนลิเธียมจากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังขั้วบวกผ่านวงจรภายนอก และไอออนลิเธียมที่สร้างขึ้นจะถูกถ่ายโอนไปยังขั้วบวกผ่านอิเล็กโทรไลต์เพื่อทำปฏิกิริยากับกำมะถันเพื่อสร้างโพลีซัลไฟด์ลิเธียม (LiPSs) แล้วทำปฏิกิริยาต่อไปเพื่อสร้างลิเธียมซัลไฟด์เพื่อให้กระบวนการคายประจุเสร็จสมบูรณ์ในระหว่างกระบวนการชาร์จ ลิเธียมไอออนใน LiPSs จะกลับสู่ขั้วลบผ่านอิเล็กโทรไลต์ ในขณะที่อิเลคตรอนจะกลับสู่อิเล็กโทรดลบผ่านวงจรภายนอกเพื่อสร้างโลหะลิเธียมที่มีลิเธียมไอออน และ LiPS จะถูกรีดิวซ์เป็นกำมะถันที่ขั้วบวกเพื่อทำให้ กระบวนการชาร์จ

กระบวนการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ส่วนใหญ่เป็นปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเชิงซ้อนแบบหลายขั้นตอน หลายอิเล็กตรอน และหลายเฟสบนแคโทดกำมะถัน และ LiPS ที่มีความยาวสายโซ่ต่างกันจะเปลี่ยนเข้าหากันในระหว่างกระบวนการปล่อยประจุในระหว่างกระบวนการคายประจุ ปฏิกิริยาที่อาจเกิดขึ้นที่ขั้วบวกจะแสดงในรูปที่ 2 และปฏิกิริยาที่ขั้วลบจะแสดงในรูปที่ 3

ข้อดีของแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์นั้นชัดเจนมาก เช่น ความจุทางทฤษฎีที่สูงมากไม่มีออกซิเจนในวัสดุ และปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจนจะไม่เกิดขึ้น ดังนั้นประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยจึงดีทรัพยากรกำมะถันมีมากมายและธาตุกำมะถันมีราคาถูกเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีความเป็นพิษต่ำอย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ก็มีปัญหาที่ท้าทายเช่นกัน เช่น ผลกระทบกระสวยของลิเธียมโพลีซัลไฟด์;ฉนวนของธาตุกำมะถันและผลิตภัณฑ์ที่ปล่อยออกมาปัญหาการเปลี่ยนแปลงปริมาณมากSEI ที่ไม่เสถียรและปัญหาด้านความปลอดภัยที่เกิดจากลิเธียมแอโนดปรากฏการณ์การปลดปล่อยตัวเอง ฯลฯ

ในฐานะที่เป็นระบบแบตเตอรี่สำรองรุ่นใหม่ แบตเตอรี่ลิเธียมแอร์และแบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์มีค่าความจุเฉพาะทางทฤษฎีที่สูงมาก และได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากนักวิจัยและตลาดแบตเตอรี่สำรองปัจจุบันแบตเตอรี่ทั้งสองยังคงประสบปัญหาทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคมากมายพวกเขาอยู่ในขั้นตอนการวิจัยเริ่มต้นของการพัฒนาแบตเตอรี่นอกจากความจุเฉพาะและความเสถียรของวัสดุแคโทดของแบตเตอรี่ที่ต้องปรับปรุงเพิ่มเติมแล้ว ปัญหาสำคัญ เช่น ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ก็จำเป็นต้องได้รับการแก้ไขโดยด่วนเช่นกันในอนาคต แบตเตอรี่ใหม่ทั้งสองประเภทนี้ยังคงต้องการการปรับปรุงทางเทคนิคอย่างต่อเนื่องเพื่อกำจัดข้อบกพร่องของแบตเตอรี่ เพื่อเปิดโอกาสการใช้งานที่กว้างขึ้น