بطارية ليثيوم-هواء

بطارية ليثيوم-هواء
الطاقة المحددة40,104,000 J/kg (نظرياً)
كثافة الطاقة? J/م³
القدرة المحددة? W/kg
جهد الخلية الإسمي2.91 V

بطارية ليثيوم-هواء lithium-air battery (واختصارها Li-air) هي خلية كهروكيميائية فلز-هواء أو كيمياء بطارية تستخدم أكسدة الليثيوم عند المصعد و اختزال الأكسجين عند المهبط لحث سريان تيار.[1]

يمكن أن يؤدي الاقتران بين الليثيوم والأكسجين المحيط نظريًا إلى خلايا كهروكيميائية بأعلى طاقة محددة ممكنة. في الواقع ، الطاقة النوعية النظرية لبطارية ليثيوم هواء غير المائية ، في الحالة المشحونة بمنتج اكسيد الليثيوم وباستثناء كتلة الأكسجين ، هي ~ 40.1 ميجا جول/كجم. هذا يمكن مقارنته بالطاقة النوعية النظرية للبنزين ، ~ 46.8 ميجا جول / كجم. من الناحية العملية ، تم إثبات بطاريات ليثيوم هواء بطاقة محددة تبلغ ~ 6.12 ميجا جول / كجم على مستوى الخلية. هذا أكبر بحوالي 5 أضعاف من بطارية الليثيوم أيون التجارية ، وهو كافٍ لتشغيل 2000 كجم من السيارات الكهربائية ل ~ 500 كيلو م (310 ميل) في شحنة واحدة باستخدام 60 كجم من البطاريات. ومع ذلك ، تحتاج القوة العملية ودورة حياة بطاريات ليثيوم هواء إلى تحسينات كبيرة قبل أن تتمكن من العثور على مكان متخصص في السوق.

هناك حاجة إلى تقدم كبير بالكهرباء لتطوير التنفيذ التجاري.[2] هناك أربعة طرق نشطة: مذيب ,[3][4][5] مائي ,[6] الحالة الصلبة[7] ومختلط مائي - مذيب.[8]

لقيت البطاريات المعدنية -الهواء ، خاصةً الزنك -الهواء ، اهتمامًا بسبب كثافات الطاقة العالية المحتملة. كثافة الطاقة النظرية النوعية لبطاريات الهواء المعدنية أعلى من الطرق المعتمدة على الأيونات. يمكن أن تحقق بطاريات الليثيوم الهوائية نظريًا 3840 مللي أمبير في الساعة / جرام. [9]

يعد قطاع السيارات أحد المحركات الرئيسية لسوق البطاريات. تبلغ كثافة الطاقة للبنزين حوالي 13 كيلوواط . ساعة / كجم ، وهو ما يعادل 1.7 كيلوواط .ساعة / كجم من الطاقة المقدمة للعجلات بعد المفقودات. من الناحية النظرية ، يمكن أن يحقق هواء الليثيوم 12 كيلو واط · ساعة / كجم (43.2 ميجا جول / كجم) باستثناء كتلة الأكسجين. يمثل وزن حزمة البطارية الكاملة (الغلاف والقنوات الهوائية والركيزة الليثيوم) ، في حين أن الليثيوم وحده خفيف جدًا ، فإن كثافة الطاقة أقل بكثير.[10]

يحتمل أن تحتوي بطارية ليثيوم هواء على 5-15 مرة الطاقة المحددة لبطارية الليثيوم أيون منذ عام 2016. [11]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التاريخ

اقترحت أصلاً في السبعينيات كمصدر محتمل للطاقة للمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات والمركبات الكهربائية الهجينة ، وقد استعادت بطاريات ليثيوم هواء الاهتمام العلمي في أواخر العقد الأول من العقد الأول من القرن الحادي والعشرين بسبب التقدم في علم المواد.

على الرغم من أن فكرة بطارية الليثيوم والهواء كانت موجودة قبل فترة طويلة من عام 1996 ,[12][13][14][15] كان يُنظر إلى نسبة المخاطر إلى الفائدة على أنها منخفضة للغاية بحيث لا يمكن متابعتها. في الواقع ، كل من السالب (معدن الليثيوم) والموجب (أقطاب الهواء أو الأكسجين) هي الأسباب التي أدت ، على التوالي ، إلى فشل بطاريات الليثيوم المعدنية القابلة لإعادة الشحن في الوصول إلى السوق في السبعينيات (تستخدم بطارية ليثيوم أيون في جهاز محمول مركب الجرافيت كربيد الليثيوم على القطب السالب ، وليس معدن الليثيوم). ومع ذلك ، بسبب النقص الملحوظ في البدائل الأخرى للبطاريات القابلة لإعادة الشحن ذات الطاقة العالية النوعية ، وبسبب بعض النتائج الواعدة في البداية من المختبرات الأكاديمية,[16][17] كلا من عدد براءات الاختراع والمنشورات ذات النطاق الحر المتعلقة بأكسجين الليثيوم (بما في ذلك ليثيوم هواء) بدأت البطاريات تنمو بزدياد في عام 2006.[18][19] يرجع الانخفاض في أرقام البراءات الظاهرة منذ عام 2015 إلى التأخير بين الأولوية وتواريخ النشر. على سبيل المثال ، التأخير لمدة 30 شهرًا بين تقديم طلب مؤقت ونشر طلب معاهدة التعاون بشأن البراءات. ومع ذلك ، فإن الصعوبات التقنية التي تواجه مثل هذه البطاريات ، خاصة بالنظر إلى أنها يجب أن تكون قابلة لإعادة الشحن في معظم التطبيقات ، هي تحديات شاقة.[20]


التشغيل

رسم تخطيطي لدورات شحن وتفريغ بطارية الليثيوم الهوائية

Iبشكل عام تتحرك أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود عبر السائل ايونى. تحت التفريغ ، تتبع الإلكترونات الدائرة الخارجية للقيام بالأعمال الكهربائية وتهاجر أيونات الليثيوم إلى الكاثود. أثناء شحن الألواح المعدنية الليثيوم على الأنود ، وتحرير الاكسجين في الكاثود.[21] [22] تم اعتبار كل من البطاريات اكسيد الليثيوم غير المائية (مع بيروكسيد الليثيوم أو اكسيد الليثيوم كمنتجات تفريغ) وبطاريات اكسيد الليثيوم المائية.[23][24] تتطلب البطارية المائية طبقة واقية على القطب السالب لمنع معدن الليثيوم من التفاعل مع الماء.

رسم تخطيطي للواجهة السائل الأيوني مقابل المصطنع

المصعد

معدن الليثيوم هو خيار الأنود النموذجي. في الأنود ، يجبر الجهد الكهروكيميائي معدن الليثيوم على إطلاق الإلكترونات عبر الأكسدة (دون إشراك الأكسجين الكاثودي). نصف التفاعل هو: [25]

Li ↔ Li+ + e−

يتمتع الليثيوم بسعة محددة عالية (3840 مللي أمبير / جرام) مقارنة بمواد البطاريات المعدنية الأخرى (820 مللي أمبير / جرام للزنك ، 2965 مللي أمبير / جرام ألومينوم).[26] تؤثر العديد من القضايا على هذه الخلايا.

عند الشحن / التفريغ في الخلايا الذائبة ، تترسب طبقات من أملاح الليثيوم على الأنود ، وتغطيها في النهاية وتخلق حاجزًا بين الليثيوم والسائل الأيوني. يمنع هذا الحاجز في البداية التآكل ، ولكنه يمنع في نهاية المطاف حركية التفاعل بين الأنود والسائل الأيوني.[27] هذا التغيير الكيميائي للسائل الايوني الصلب بين الطور (SEI) يؤدي إلى تكوين كيميائي متنوع عبر السطح ، مما يتسبب في تغير التيار وفقًا لذلك. التوزيع الحالي غير المتكافئ يعزز نمو التغصنات ويؤدي عادة إلى دائرة قصر بين الأنود والكاثود.[28]

في مشاكل الخلايا المائية في السائل الايوني الصلب بين الطور تنبع من التفاعل العالي لمعدن الليثيوم مع الماء.[29]

تحاول عدة طرق للتغلب على هذه المشاكل:

  • تكوين طبقة واقية من ليثيوم أيون باستخدام إلكتروليتات ثنائي وثلاثي الكوبوليمر. [30] وفقًا لـ Seeo، Inc.,[30] فإن هذه الإلكتروليتات (على سبيل المثال ، البوليسترين ذات التوصيلية العالية من أيون الليثيوم لقطعة بوليمر لينة ، مثل بولي (أكسيد الإيثيلين (PEO) وخليط الليثيوم-ملح)) تجمع بين الثبات الميكانيكي جزء بوليمر الصلب مع التوصيلية الأيونية العالية لخليط البوليمر الليثيوم-الملح . صلابة تمنع قصور التغصن عن طريق الحجب الميكانيكي.
  • Lأيون ليثيوم موصلة بالزجاج أو مواد خزفية زجاجية[7][31][32] يتم تقليلها (عمومًا) بسهولة بمعدن الليثيوم ، وبالتالي يمكن لفيلم رقيق من مادة موصلة بالليثيوم مستقرة ، مثل فوسفيد الليثيوم أو نيتريد الليثيوم ، يتم إدخالها بين السيراميك والمعدن. يمنع السائل الايوني الصلب بين الطور القائم على السيراميك تكوين التشعبات ويحمي معدن الليثيوم من التلوث الجوي

المهبط

في الكاثود أثناء الشحن ، يتبرع الأكسجين بالإلكترونات إلى الليثيوم عن طريق الاختزال. تم استخدام الكربون المسطح كركيزة كاثود مع محفزات معدنيةl [33] التي تعزز حركية الاختزال وتزيد من السعة النوعية للكاثود.[11] المنجنيز ، والكوبالت ، والروثينيوم ، والبلاتين ، والفضة ، أو خليط من الكوبالت والمنجنيز هي محفزات معدنية محتملة. في بعض الظروف ، كانت الكاثودات المحفزة بالمنجنيز هي الأفضل أداءً ، بسعة محددة تبلغ 3137 مللي أمبير في الساعة من الكربون وكاثودات محفزة من الكوبالت حققت ثاني أفضل أداء ، بقدرة محددة تبلغ 2414 مللي أمبير في الساعة من الكربون.[34]المنجنيز ، والكوبالت ، والروثينيوم ، والبلاتين ، والفضة ، أو خليط من الكوبالت والمنجنيز هي محفزات معدنية محتملة. في بعض الظروف ، كانت الكاثودات المحفزة بالمنجنيز هي الأفضل أداءً ، بسعة محددة تبلغ 3137 مللي أمبير في الساعة من الكربون وكاثودات محفزة من الكوبالت حققت ثاني أفضل أداء ، بقدرة محددة تبلغ 2414 مللي أمبير في الساعة من الكربون. [35]

أداء ليثيوم هواء محدود بكفاءة التفاعل عند الكاثود ، لأن معظم انخفاض الجهد يحدث هناك.[26] تم تقييم كيميائيات متعددة ، تتميز بالكهرباء الخاصة بها. تركز هذه المناقشة على ذائبات غير المائية والمائية حيث لا يتم فهم الكيمياء الكهربائية في الحالة الصلبة بشكل سيئ.

في خلية بها أكاسيد الليثيوم السائل الأيوني يتم إنتاجها من خلال الاختزال في الكاثود:

Li+ + e− +O 2 + * → LiO 2*
Li+ + e− +LiO 2* →Li 2O 2*

حيث يشير الرمز "*" إلى موقع سطحي على بيروكسيد الليثيوم حيث يستمر النمو ، وهو في الأساس شاغر ليثيوم محايد في سطح بيروكسيد الليثيوم.

أكاسيد الليثيوم غير قابلة للذوبان في السوائل الأيونية غير الفعالة ، مما يؤدي إلى انسداد الكاثود.[36]

السائل الأيوني

في خلية ذات إلكتروليت مائي ، يمكن أن ينتج الاختزال عند الكاثود أيضًا هيدروكسيد الليثيوم:

Acidic electrolyte

2Li + ½ O 2 + 2H+ → 2Li++ H 2O
تشارك قاعدة مترافقة في التفاعل. الطاقة النظرية القصوى لخلايا ليثيوم الهواء وكثافة الطاقة هي 1400 واط . ساعة / كجم و 1680 واط .ساعة / لتر على التوالي.[10]

Alkaline aqueous electrolyte

2Li + ½ O 2 + H 2O → 2LiOH

تشارك جزيئات الماء في تفاعلات الأكسدة والاختزال في كاثود الهواء. الطاقة النظرية القصوى لخلايا ليثيوم الهواء وكثافة الطاقة هي 1300 واط .ساعة / كجم و 1520 واط.ساعة / لتر على التوالي.[10]

يجب أن تكون مواد الكاثود الجديدة مسؤولة عن استيعاب كميات كبيرة من أكسيد الليثيوم و بيروكسيد الليثيوم و / أو هيدروكسيد الليثيوم دون التسبب في سد مسام الكاثود واستخدام المحفزات المناسبة لجعل التفاعلات الكهروكيميائية عملية بشكل نشط

  • توفر مواد نظام المسام المزدوج قدرة طاقة واعدة للغاية.[37]
  • يعمل نظام المسام الأول كمخزن للأكسدة.
  • يعمل نظام المسام الثاني كناقل للأكسجين

التصميم

المصعد

التحدي الرئيسي في تطوير الأنود هو منع الأنود من التفاعل مع السائل الأيوني. تشتمل البدائل على مواد إلكتروليتية جديدة أو إعادة تصميم الواجهة بين الإلكتروليت والأنود. وتتعلق تحديات أخرى بالاختيار الخاص لمواد الأنود ، مثل السيليكون أو الليثيوم. مشاكل أنودات السيليكون هي التوسع الكبير في الحجم (320٪) أثناء الشحن.[38] تخاطر أنودات الليثيوم برواسب الليثيوم التغصنية ، أو تقليل سعة الطاقة أو إحداث دائرة قصر.[39]


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

المهبط

يوفر كاثود اكسيد المنجنيز مصفوفة أسلاك متناهية الصغر مدعومًا بفيروس M13 المُعدَّل وراثيًا كثافة من مرتين إلى ثلاث مرات لكثافة طاقة بطاريات أيونات الليثيوم في عصر 2015. زاد الفيروس من حجم مصفوفة الأسلاك النانوية ، التي يبلغ عرضها حوالي 80 نانومتر. الأسلاك الناتجة لها سطح شائك. تخلق المسامير مساحة أكبر لاستضافة مواقع التفاعل. تخلق العملية الفيروسية بنية ثلاثية الأبعاد مترابطة ، بدلاً من الأسلاك المعزولة ، مما يؤدي إلى استقرار القطب. العملية الفيروسية تعتمد على الماء وتحدث في درجة حرارة الغرفة.[40][41]

السائل الأيوني

ركزت الجهود المبذولة في بطاريات ليثيوم هواء على أربعة سوائل الكتروليتية.

مذيب لا مائي

تصميم تخطيطي من نوع بطاريةليثيوم هواء المذيبة

تم عرض بطاريات ليثيوم هواء غير المائية أولاً[42] وعادة ما يستخدمون كربونات الإيثيلين المختلطة + مذيبات كربونات البروبيلين مع أملاح الليثيوم سداسي فلورو فوسفات أو الليثيوم مكرر (ثلاثي فلورو ميثان سلفونيل) إيميد مثل بطاريات الليثيوم أيون التقليدية ، مع وجود إلكتروليت بدلاً من السائل الأيوني.[43] عادة ما يكون فرق الجهد عند الشحن والتفريغ المستمر للتيار بين 1.3 و 1.8 فولت (مع جهد الدائرة المفتوحة حوالي 4.2 فولت) حتى في التيارات المنخفضة للغاية مثل 0.01-0.5 مللي أمبير / سم² و50-500 مللي أمبير / جم من الكربون على القطب الموجب (انظر الشكل 2) ),[44][45][46] ومع ذلك ، تتبخر مذيبات الكربونات وتتأكسد بسبب زيادة الجهد الزائد عند الشحن.[47][48] تم النظر في مذيبات أخرى ، مثل الجلايم المغطى بطرف النهاية ، ثنائي ميثيل سلفوكسيد ، ثنائي ميثيل الأسيتاميد ، والسوائل الأيونية. [48] [49] يتأكسد كاثود الكربون فوق +3.5 فولت v لي أثناء الشحن ، مشكلاً كربونات الليثيوم ، مما يؤدي إلى فقدان قدرة لا رجعة فيه.[48]

تضمنت معظم الجهود مواد المذيبة ، تتكون من أنود معدن الليثيوم ، وإلكتروليت سائل وكاثود كربون مسامي.[3] يمكن أن يصنع الإلكتروليت من أي سائل عضوي قادر على إذابة أملاح الليثيوم مثل الليثيوم سداسي فلورو فوسفات و الليثيوم سداسي فلوروارسينات و مكرر (ثلاثي فلورو ميثان) ملح الليثيوم سلفونميد و ثلاثي فلور الميثيل ميثان سلفونات) ، ولكنه يتكون عادةً من الكربونات والإيثرات والإسترات.[3][21] عادةً ما يكون الكاثود الكربوني مصنوعًا من مادة كربون ذات مساحة عالية مع مع محفز أكسيد الفلز النانوي (عادة اكسيد المنجنيز أو رباعي أكسيد المنجنيز). الميزة الرئيسية هي التكوين التلقائي للحاجز بين الأنود والسائل الايوني (مماثل للحاجز المتكون بين السائل الأيوني وأنود الليثيوم الكربوني في بطاريات ايون الليثيوم التقليدية) التي تحمي معدن الليثيوم من التفاعل الإضافي مع السائل الأيوني. على الرغم من قابليتها لإعادة الشحن ، [10] فإن ثاني اكسيد الليثيوم الناتج في الكاثود غير قابل للذوبان بشكل عام في السائل الأيوني العضوي ، مما يؤدي إلى تراكم على طول واجهة الكاثود / السائل  الأيوني. هذا يجعل الكاثودات في البطاريات غير المباشرة عرضة للانسداد وتوسيع الحجم الذي يقلل تدريجياً من التوصيل ويقلل من أداء البطارية.[6][29][49] مشكلة أخرى هي أن السوائل الأيونية العضوية قابلة للاشتعال ويمكن أن تشتعل إذا كانت الخلية تالفة.[7]


على الرغم من أن معظم الدراسات تتفق على أن  بيروكسيد الليثيوم هو منتج التفريغ النهائي لبطاريات اكسيد الليثيوم غير المائي ، إلا أن هناك دليلًا كبيرًا على أن تكوينها لا يتقدم كإلكترون مباشر 2-إلكترون إلى بيروكسيد (وهو المسار المشترك لـلأكسيجين للحد من الماء على الكربون) ولكن بالأحرى عن طريق اختزال إلكترون واحد إلى الأكسيد الفائق ، يليه عدم تناسقه

2LiO 2 في اتزان مع Li 2O 2+O 2

 

 

 

 

(1)

يُعتبر فوق أكسيد تقليديًا وسيطًا خطيرًا في بطاريات الأكسجين غير المسبوقة بسبب ارتفاع النيوكليوفيلية والقاعدية و جهد الاختزال l[50][51] ومع ذلك ، تشير التقارير [52][53] إلى أن اكسيد اللليثيوم هو وسيط أثناء التفريغ إلى البيروكسيد بيروكسيد الليثيوم ويمكن استخدامه كمنتج التفريغ النهائي ، مع دورة حياة محسنة على الرغم من انخفاض الطاقة المحددة (وزن أثقل قليلاً للبطارية). في الواقع ، تبين أنه في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يكون الأكسيد الفائق مستقرًا على مقياس 20-70 ساعة عند درجة حرارة الغرفة.[52] لم يتم معالجة فقدان قدرة لا رجعة فيه عند عدم تناسق اكسيد الليثيوم في البطارية المشحونة.

يبدو أن بلاتين/كربون هو أفضل محفز كهربائي لتطور الذهب /الأكسجين والكروبن لخفض الأكسجين عندما يكون بيروكسيد الليثيوم هو المنتج.[54] ومع ذلك ، "إن أداء بطاريات الليثيوم - الهواء القابلة لإعادة الشحن مع الإلكتروليتات غير المائية محدود بسبب التفاعلات على الأكسجين القطب ، وخاصة عن طريق تطور الأكسجين إن أقطاب الهواء الكربونية المسامية التقليدية غير قادرة على توفير قدرات مللي أمبير/جرام  و مللى امبير /سم2 ومعدلات التفريغ بالمقادير المطلوبة للبطاريات ذات كثافة الطاقة العالية حقًا لتطبيقات السيارات الكهربائية.”[54] إن السعة (بالمللي أمبير / سم 2) وعمر دورة بطاريات اكسيد الليثيوم غير المائية محدودة بسبب ترسب أطوار اكاسيد الليثيوم غير القابلة للذوبان وسريعة التوصيل إلكترونيًا عند التفريغ .[50] ((من المتوقع أن يكون توصيلية رباعي اكسيد الليثيوم + الليثيوم  أفضل من مرحلتي اكسيد الليثيوم و (بيروكسيد الليثيوم ).[55] وهذا يجعل الطاقة العملية المحددة لبطاريات اكسيد الليثيوم أصغر بكثير من توقعات الحساب على مستوى الكاشف. يبدو أن هذه العوامل قد وصلت إلى حدودها ، ومن المتوقع إجراء مزيد من التحسين فقط من الطرق البديلة.

رسم تخطيطي من النوع المائي لتصميم البطاريات ليثيوم هواء

المائية

تتكون بطارية ليثيوم هواء المائية من أنود معدن الليثيوم ، وسائل أيوني مائي وكاثود كربون مسامي. يجمع الإلكتروليت المائي بين أملاح الليثيوم المذابة في الماء. يتجنب مشكلة انسداد الكاثود لأن منتجات التفاعل قابلة للذوبان في الماء.[6] يتمتع التصميم المائي بإمكانية تفريغ عملية أعلى من نظيره غير المثير. ومع ذلك ، يتفاعل معدن الليثيوم بعنف مع الماء ، وبالتالي يتطلب التصميم المائي واجهة إلكتروليت صلبة بين الليثيوم والسائل الأيوني. بشكل عام ، يتم استخدام السيراميك أو الزجاج الموصّل بالليثيوم ، ولكن التوصيلية منخفضة بشكل عام (بترتيب 10−3 S / سم في درجات الحرارة المحيطة).[29]

رسم تخطيطي لتصميم بطارية ليثيوم هواء من النوع المائي المختلط

Mixed aqueous–aprotic

يحاول تصميم بطارية ليثيوم هواء المائي أو المذيب أو المختلط توحيد مزايا تصاميم البطارية المذيبة والمائية. السمة المشتركة للتصميمات الهجينة هي إلكتروليت مكون من جزئين (جزء مائي وجزء آخرمذيب) متصل بواسطة غشاء موصل بالليثيوم. يقع الأنود بالقرب من الجانب المذيب أثناء اتصال الكاثود بالجانب المائي. عادة ما يتم استخدام السيراميك الموصّل بالليثيوم كغشاء ينضم إلى الإلكتروليتين.[6][10]

يعد استخدام السائل الأيوني الصلبة (انظر الشكل 3) أحد هذه الأساليب البديلة التي تسمح بمزيج من أنود معدن الليثيوم مع كاثود مائي.[56] تمت دراسة السوائل ايونية الخزفية الصلبة (CSEs) من عائلة ناسيكون(على سبيل المثال ، Li1 − xAxM2 − x (PO4) 3 مع A ∈ [Al ، سكانديوم، Y] و M ∈ [تيتانيوم ، جرامنيوم]). متوافق مع الماء في درجة الحموضة ولديه نافذة كهروكيميائية كبيرة (انظر الأشكال 3،4) ، وتوصيلها المنخفض أيون الليثيوم بالقرب من درجة حرارة الغرفة (<0.005 S / سم ،> 85 Ω سم) 2[48]يجعلها غير مناسبة للسيارات و تطبيقات تخزين الطاقة الثابتة التي تتطلب تكلفة منخفضة (على سبيل المثال ، تشغيل الكثافة الحالية أكثر من 100 مللي أمبير / سم 2). علاوة على ذلك ، يتم تقليل كل من تيتانيوم و جرامنيوم بواسطة ليثيوم المعدني ، ويلزم وجود طبقة وسيطة بين القطب الخزفي والقطب السالب. في المقابل ، يمكن للسوائل ايونية الصلبة البوليمر (SPEs) توفير توصيلية أعلى على حساب تقاطع أسرع للمياه وجزيئات صغيرة أخرى تتفاعل تجاه معدن الليثيوم . من بين الأغشية الأكثر غرابة في بطاريات اكسيد الليثيوم السيليكون أحادي البلورة.[57]

Iفي عام 2015 ، أعلن الباحثون عن تصميم يستخدم الجرافين المسامي للغاية للأنود ، وهو إلكتروليت من ثنائي ليثيوم الليثيوم (ثلاثي فلورو ميثيل) سلفونيليميد / ثنائي ميثوكسي إيثان مع الماء المضاف ويوديد الليثيوم لاستخدامه "كوسيط". ينتج الإلكتروليت هيدروكسيد الليثيوم (LiOH) عند الكاثود بدلاً من بيروكسيد الليثيوم (Li 2O 2). قدمت النتيجة كفاءة في استخدام الطاقة تبلغ 93 في المائة (فجوة الجهد 0.2) ودورة أكثر من 2000 مرة مع تأثير ضئيل على الناتج [58][59] ومع ذلك ، يتطلب التصميم الأكسجين النقي ، بدلاً من الهواء المحيط.[60]

رسم تخطيطي لتصميم بطارية ليثيوم هواء من نوع الحالة الصلبة


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الحالة الصلبة

يعد تصميم بطارية الحالة الصلبة جذابًا لسلامته ، مما يقضي على فرصة الاشتعال من التمزق.[7] تستخدم بطاريات ليثيوم هواء ذات الحالة الصلبة الحالية أنودًا من الليثيوم ، وإلكتروليتًا من السيراميك أو الزجاج أو السيراميك الزجاجي ، وكاثود كربون مسامي. عادةً ما يتم فصل الأنود والكاثود عن السائل الأيوني بواسطة مركبات بوليمر سيراميك تعزز نقل الشحنة عند الأنود وتقرن الكاثود كهربائياً إلى السائل الأيوني. مركبات البوليمر والسيراميك تقلل من المعاوقة الكلية. العيب الرئيسي لتصميم بطارية الحالة الصلبة هو التوصيلية المنخفضة لمعظم السوائل ايونية الزجاجية الخزفية. التوصيلية الأيونية لموصلات أيونات الليثيوم السريعة الحالية أقل من بدائل الإلكتروليت السائل.[9]

التحديات

اعتبارا من عام 2013 ، واجهت العديد من التحديات المصممين.

المهبط

توجد معظم حدود بطارية ليثيوم هواء في الكاثود ، وهو أيضًا مصدر مزاياه المحتملة. يعتبر التفريغ غير الكامل بسبب انسداد كاثود الكربون المسامي بمنتجات التفريغ مثل بيروكسيد الليثيوم (في التصميمات غير المباشرة) هو الأكثر خطورة. تم تصميم العديد من أنماط الرواسب.[61] تم تعريف المتغير ، Da ، لقياس التغيرات في درجات الحرارة وتركيز الأنواع وإمكانياتها.[62][63]

لا تزال آثار حجم المسام وتوزيع حجم المسام غير مفهومة بشكل جيد.[26]

أظهرت المحفزات وعدًا في إنشاء تنوي تفضيلي لـ بيروكسيد الليثيوم على اكسيد الليثيوم ، وهو أمر لا رجعة فيه فيما يتعلق بالليثيوم.[64]

يجب أن يكون الأكسجين الجوي موجودًا في الكاثود ، ولكن الملوثات مثل بخار الماء يمكن أن تتلفه.[4]

الكهروكيمياء

في تصميمات الخلايا لعام 2017 ، تكون سعة الشحن الزائدة أعلى بكثير من قدرة التفريغ الزائدة. تشير الشحنة الزائدة الكبيرة إلى وجود تفاعلات ثانوية.[65] وبالتالي ، تبلغ الكفاءة الكهربائية حوالي 65٪ فقط.[26]

يمكن أن تساعد المحفزات مثل اكسيد المنجنيز و كوبلت و البلاتين و الذهب في تقليل الجهود الزائدة ، ولكن التأثير غير مفهوم جيدًا.[64] تعمل العديد من المحفزات على تحسين أداء الكاثود ، ولا سيما اكسيد المنجنيز ، وتعرف آلية التحسين باسم الأكسجين السطحي الأكسجين الذي يوفر مواقع نمو أولية وفيرة لبيروكسيد الليثيوم. [66] ويذكر أيضًا أن المحفزات قد تغير بنية رواسب الأكسيد.[67][68]

تعد الانخفاضات الكبيرة في سعة الخلية مع زيادة معدلات التفريغ مشكلة أخرى. يعزى الانخفاض في سعة الخلية إلى حدود نقل الشحنات الحركية.[26] نظرًا لأن التفاعل الأنودي يحدث بسرعة كبيرة ، يُعتقد أن حدود نقل الشحنة تحدث عند الكاثود.

الاستقرار

يتطلب تشغيل البطارية على المدى الطويل استقرارًا كيميائيًا لجميع مكونات الخلية. تظهر تصميمات الخلايا الحالية مقاومة ضعيفة للأكسدة بواسطة منتجات التفاعل والوسائط. العديد من السوائل ايونية المائية متقلبة ويمكن أن تتبخر بمرور الوقت.[26] الاستقرار يعوقه بشكل عام التفاعلات الكيميائية الطفيلية ، على سبيل المثال تلك التي تنطوي على الأكسجين التفاعلي.[69][70]

الاستخدامات

السيارات

تعتبر خلايا ليثيوم هواء ذات أهمية بالنسبة للسيارات الكهربائية ، نظرًا لكثافتها العالية في الطاقة النظرية والنوعية ، مقارنة بالبنزين. توفر المحركات الكهربائية كفاءة عالية (95٪ مقارنة بـ 35٪ محرك الاحتراق الداخلي). يمكن أن توفر خلايا ليثيوم هواء نطاقًا مكافئًا لمركبات اليوم مع حزمة بطارية ثلث حجم خزانات الوقود القياسية بافتراض أن توازن المصنع المطلوب للحفاظ على البطارية كان من الكتلة أو الحجم الذي لا يكاد يذكر. [بحاجة لمصدر]

احتياطي الشبكة

في عام 2014 ، أعلن الباحثون عن بطارية خلايا شمسية هجينة. يتم فقدان ما يصل إلى 20٪ من الطاقة التي تنتجها الخلايا الشمسية التقليدية أثناء انتقالها إلى البطارية وشحنها. يخزن الهجين ما يقرب من 100 ٪ من الطاقة المنتجة. استخدم أحد إصدارات الهجين بطارية أيونات البوتاسيوم باستخدام البوتاسيوم-الهواء. عرضت كثافة طاقة أعلى من بطاريات ليثيوم أيون التقليدية ، وتكلفتها أقل وتجنب المنتجات الثانوية السامة. أحدث جهاز استبدل الليثيوم بشكل أساسي بالبوتاسيوم.[71]

استخدمت الخلية الشمسية شبكة مصنوعة من قضبان مجهرية من ثاني أكسيد التيتانيوم للسماح للأكسجين المطلوب بالمرور. أنتج ضوء الشمس الملتقط إلكترونات تتحلل بيروكسيد الليثيوم إلى أيونات الليثيوم ، وبالتالي شحن البطارية. أثناء التفريغ ، يعيد الأكسجين من الهواء ويجدد بيروكسيد الليثيوم.

انظر أيضاً

الهامش

  1. ^ Badwal, Sukhvinder P. S.; Giddey, Sarbjit S.; Munnings, Christopher; Bhatt, Anand I.; Hollenkamp, Anthony F. (24 September 2014). "Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies". Frontiers in Chemistry. 2: 79. doi:10.3389/fchem.2014.00079. PMC 4174133. PMID 25309898.{{cite journal}}: CS1 maint: unflagged free DOI (link)
  2. ^ Christensen, J.; Albertus, P.; Sanchez-Carrera, R. S.; Lohmann, T.; Kozinsky, B.; Liedtke, R.; Ahmed, J.; Kojic, A. (2012). "A Critical Review of Li–Air Batteries". Journal of the Electrochemical Society. 159 (2): R1. doi:10.1149/2.086202jes.
  3. ^ أ ب ت Younesi, Reza; Veith, Gabriel M.; Johansson, Patrik; Edström, Kristina; Vegge, Tejs (2015). "Lithium salts for advanced lithium batteries: Li–metal, Li–O 2, and Li–S". Energy Environ. Sci. (in الإنجليزية). 8 (7): 1905–1922. doi:10.1039/c5ee01215e.
  4. ^ أ ب Ogasawara, T.; Débart, A. L.; Holzapfel, M.; Novák, P.; Bruce, P. G. (2006). "Rechargeable Li2O2Electrode for Lithium Batteries". Journal of the American Chemical Society. 128 (4): 1390–1393. doi:10.1021/ja056811q. PMID 16433559.
  5. ^ Debart, A; Bao, J; et al. (2008). "α-MnO 2 Nanowires: A Catalyst for theO 2 Electrode in Rechargeable Lithium Batteries". Angew. Chem. 47 (24): 4521–4524. doi:10.1002/anie.200705648. {{cite journal}}: Explicit use of et al. in: |last3= (help)
  6. ^ أ ب ت ث He, P.; Wang, Y.; Zhou, H. (2010). "A Li-air fuel cell with recycle aqueous electrolyte for improved stability". Electrochemistry Communications. 12 (12): 1686–1689. doi:10.1016/j.elecom.2010.09.025.
  7. ^ أ ب ت ث Kumar, B.; Kumar, J.; Leese, R.; Fellner, J. P.; Rodrigues, S. J.; Abraham, K. M. (2010). "A Solid-State, Rechargeable, Long Cycle Life Lithium–Air Battery". Journal of the Electrochemical Society. 157: A50. doi:10.1149/1.3256129.
  8. ^ Wang, Yonggang (2010). "A lithium-air battery with a potential to continuously reduce O2 from air for delivering energy". Journal of Power Sources. 195 (1): 358–361. doi:10.1016/j.jpowsour.2009.06.109.
  9. ^ أ ب Kumar, B.; Kumar, J. (2010). "Cathodes for Solid-State Lithium–Oxygen Cells: Roles of Nasicon Glass-Ceramics". Journal of the Electrochemical Society. 157 (5): A611. doi:10.1149/1.3356988.
  10. ^ أ ب ت ث ج Girishkumar, G.; McCloskey, B.; Luntz, A. C.; Swanson, S.; Wilcke, W. (2010). "Lithium−Air Battery: Promise and Challenges". The Journal of Physical Chemistry Letters. 1 (14): 2193–2203. doi:10.1021/jz1005384.
  11. ^ أ ب Ed. Jurgen O. Besenhard, Handbook of Battery Materials, New Your, Wiley-VCH, 1999, ISBN 3-527-29469-4.
  12. ^ Abraham and Jiang 1996
  13. ^ Lu and Amine 2013
  14. ^ Balaish, Kraytsberg et al. 2014
  15. ^ Lu, Li et al. 2014
  16. ^ Abraham and Jiang 1996
  17. ^ Lu and Amine 2013
  18. ^ Ogasawara, Débart et al. 2006
  19. ^ Lu and Amine 2013
  20. ^ Lee, Roev et al. 2015
  21. ^ أ ب Xu, K. (2004). "Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries". Chemical Reviews. 104 (10): 4303–417. doi:10.1021/cr030203g. PMID 15669157.
  22. ^ McCloskey, Burke et al. 2015
  23. ^ Balaish, Kraytsberg, et al. 2014
  24. ^ Imanishi and Yamamoto 2014
  25. ^ Winter, M.; Brodd, R. J. (2004). "What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors?". Chemical Reviews. 104 (10): 4245–4269. doi:10.1021/cr020730k. PMID 15669155.
  26. ^ أ ب ت ث ج ح Kraytsberg, A.; Ein-Eli, Y. (2011). "Review on Li–air batteries—Opportunities, limitations and perspective". Journal of Power Sources. 196 (3): 886–893. doi:10.1016/j.jpowsour.2010.09.031.
  27. ^ Aurbach, D. (2000). "Review of selected electrode–solution interactions which determine the performance of Li and Li ion batteries". Journal of Power Sources. 89 (2): 206–218. doi:10.1016/S0378-7753(00)00431-6.
  28. ^ Whittingham, M. S. (1976). "Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry". Science. 192 (4244): 1126–1127. doi:10.1126/science.192.4244.1126. PMID 17748676.
  29. ^ أ ب ت Kowalczk, I.; Read, J.; Salomon, M. (2007). "Li-air batteries: A classic example of limitations owing to solubilities". Pure and Applied Chemistry. 79 (5): 851. doi:10.1351/pac200779050851.
  30. ^ أ ب Singh, M.; Gur, I.; Balsara, N. P. (2009). "Solid Electrolyte Material Manufacturable by Polymer Processing Methods", U.S. Patent Application #12271829.
  31. ^ Bates, J. (2000). "Thin-film lithium and lithium-ion batteries". Solid State Ionics. 135: 33–37. doi:10.1016/S0167-2738(00)00327-1.
  32. ^ Visco, S.; Nimonm, Y. (2010). "Active Metal/Aqueous Electrochemical Cells and Systems", U.S.Patent #7645543.
  33. ^ New Energy and Fuel. 2011. Accessed 20 Nov. 2011
  34. ^ Abraham, K. M. (1996). "A Polymer Electrolyte-Based Rechargeable Lithium/Oxygen Battery". Journal of the Electrochemical Society. 143: 1–5. doi:10.1149/1.1836378.
  35. ^ Charles P. Andersen, Han Hu, Gang Qiu, Vibha Kalra, and Ying Sun, "Pore-Scale Transport Resolved Model Incorporating Cathode Microstructure and Peroxide Growth in Lithium-Air Batteries", J. Electrochem. Soc., 162, (2015) A1135-A1145
  36. ^ Read, J. (2002). "Characterization of the Lithium/Oxygen Organic Electrolyte Battery". Journal of the Electrochemical Society. 149 (9): A1190–A1196. doi:10.1149/1.1498256.
  37. ^ Williford, R. E.; Zhang, J. G. (2009). "Air electrode design for sustained high power operation of Li/air batteries". Journal of Power Sources. 194 (2): 1164–1170. doi:10.1016/j.jpowsour.2009.06.005.
  38. ^ Mukhopadhyay, Amartya; Sheldon, Brian W. (2014-06-01). "Deformation and stress in electrode materials for Li-ion batteries". Progress in Materials Science. 63: 58–116. doi:10.1016/j.pmatsci.2014.02.001.
  39. ^ Tikekar, Mukul D.; Choudhury, Snehashis; Tu, Zhengyuan; Archer, Lynden A. (2016-09-08). "Design principles for electrolytes and interfaces for stable lithium-metal batteries". Nature Energy (in الإنجليزية). 1 (9): 16114. doi:10.1038/nenergy.2016.114. ISSN 2058-7546.
  40. ^ "Lithium-air batteries go viral for greater durability and performance". gizmag.com.
  41. ^ Oh, D.; Qi, J.; Lu, Y. C.; Zhang, Y.; Shao-Horn, Y.; Belcher, A. M. (2013). "Biologically enhanced cathode design for improved capacity and cycle life for lithium-oxygen batteries". Nature Communications. 4: 2756. doi:10.1038/ncomms3756. PMC 3930201. PMID 24220635.
  42. ^ Abraham and Jiang 1996.
  43. ^ Imanishi, Matsui, et al. 2014
  44. ^ Balaish, Kraytsberg et al. 2014.
  45. ^ McCloskey, Burke, et al. 2015.
  46. ^ Liu, Xu, et al. 2016.
  47. ^ Balaish & Kraytsberg et al. 2014.
  48. ^ أ ب ت Imanishi, Matsui & et al. 2014.
  49. ^ Li, Xianglin; Faghri, Amir (2012). "Optimization of the Cathode Structure of Lithium-Air Batteries Based on a Two-Dimensional, Transient, Non-Isothermal Model". Journal of Electrochemical Society. 159 (10): A1747–A1754. doi:10.1149/2.043210jes.
  50. ^ أ ب Balaish, Kraytsberg & et al. 2014.
  51. ^ McCloskey, Burke & et al. 2015.
  52. ^ أ ب Zhai, Lau & et al. 2015.
  53. ^ Lu, Lee & et al. 2016.
  54. ^ أ ب Lu, Xu & et al. 2010.
  55. ^ Shi, Xu & et al. 2015.
  56. ^ Visco 2004.
  57. ^ Lu & Amine 2013.
  58. ^ Delacey, Lynda (November 19, 2015). "More hurdles jumped on path to a practical lithium-air battery". www.gizmag.com. Retrieved 2015-12-03.
  59. ^ Liu, Tao; Leskes, Michal; Yu, Wanjing; Moore, Amy J.; Zhou, Lina; Bayley, Paul M.; Kim, Gunwoo; Grey, Clare P. (2015-10-30). "Cycling Li-O2 batteries via LiOH formation and decomposition". Science. 350 (6260): 530–533. doi:10.1126/science.aac7730. ISSN 0036-8075. PMID 26516278.
  60. ^ "New design points a path to the 'ultimate' battery". phys.org. October 29, 2015. Retrieved 2015-12-03.
  61. ^ Y. Wang, Modeling Discharge Deposit Formation and Its Effect on Lithium-air Battery Performance, Electrochimica Acta 75 (2012) 239-246.
  62. ^ Y. Wang and S. C. Cho, Analysis of Air Cathode Performance for Lithium-air Batteries, Journal of The Electrochemical Society, 160 (10) A1-A9 (2013).
  63. ^ Y. Wang, Z. Wang, H. Yuan and T. Li, Discharge Oxide Storage Capacity And Voltage Loss In Li-air Battery, Electrochimica Acta, 180 (2015) 382-393
  64. ^ أ ب Lu, Yi-Chun (2010). "The Influence of Catalysts on Discharge and Charge Voltages of Rechargeable Li–Oxygen Batteries". Electrochemical and Solid-State Letters. 13 (6): A69. doi:10.1149/1.3363047.
  65. ^ Zhang, T.; Imanishi, N.; Shimonishi, Y.; Hirano, A.; Takeda, Y.; Yamamoto, O.; Sammes, N. (2010). "A novel high energy density rechargeable lithium/air battery". Chemical Communications. 46 (10): 1661–1663. doi:10.1039/b920012f. PMID 20177608.
  66. ^ Zheng, Yongping; Song, Kyeongse; Jung, Jaepyeong; Li, Chenzhe; Heo, Yoon-Uk; Park, Min-Sik; Cho, Maenghyo; Kang, Yong-Mook; Cho, Kyeongjae (May 2015). "Critical Descriptor for the Rational Design of Oxide-Based Catalysts in Rechargeable Li–O Batteries: Surface Oxygen Density". Chemistry of Materials. 27 (9): 3243–3249. doi:10.1021/acs.chemmater.5b00056.
  67. ^ Darren Quick (5 April 2010). "Lithium-air batteries offer three times the energy density". Retrieved 5 Oct 2011.
  68. ^ Shimonishi, Y.; Zhang, T.; Imanishi, N.; Im, D.; Lee, D. J.; Hirano, A.; Takeda, Y.; Yamamoto, O.; Sammes, N. (2011). "A study on lithium/air secondary batteries—Stability of the NASICON-type lithium ion conducting solid electrolyte in alkaline aqueous solutions". Journal of Power Sources. 196 (11): 5128–5132. doi:10.1016/j.jpowsour.2011.02.023.
  69. ^ Why Do Lithium–Oxygen Batteries Fail: Parasitic Chemical Reactions and Their Synergistic Effect X. Yao, Q. Dong, Q. Cheng, D. Wang, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 11344. DOI:10.1002/anie.201601783
  70. ^ Singlet Oxygen Formation during the Charging Process of an Aprotic Lithium–Oxygen Battery J. Wandt, P. Jakes, J. Granwehr, H.A. Gasteiger, R.-A. Eichel, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 128, 7006–7009. قالب:Doi: 10.1002/anie.201602142
  71. ^ Dimberuon, Peniel M. (October 28, 2014). "New Hybrid Solar Cell Battery Takes Aim at Solar Power's Energy Storage Problem". Singularity Hub. Retrieved 17 December 2016.
خطأ استشهاد: الوسم <ref> ذو الاسم "service" المُعرّف في <references> غير مستخدم في النص السابق.

وصلات خارجية

الكلمات الدالة:
تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=بطارية_ليثيوم-هواء&oldid=2177458"