מאמר להבנת העקרונות הבסיסיים של סוללות ליתיום-אוויר וסוללות ליתיום-גופרית

01 מהן סוללות ליתיום-אוויר וסוללות ליתיום-גופרית?

① סוללת Li-air

סוללת הליתיום-אוויר משתמשת בחמצן כמגיב האלקטרודה החיובי ובליתיום מתכת כאלקטרודה השלילית.יש לו צפיפות אנרגיה תיאורטית גבוהה (3500wh/kg), וצפיפות האנרגיה בפועל יכולה להגיע ל-500-1000wh/kg, וזה הרבה יותר גבוה ממערכת סוללות הליתיום-יון הקונבנציונלית.סוללות ליתיום-אוויר מורכבות מאלקטרודות חיוביות, אלקטרוליטים ואלקטרודות שליליות.במערכות סוללות לא מימיות, חמצן טהור משמש כיום כגז התגובה, ולכן ניתן לקרוא לסוללות ליתיום-אוויר גם סוללות ליתיום-חמצן.

בשנת 1996, אברהם ואח'.הרכיב בהצלחה את סוללת הליתיום-אוויר הלא מימית הראשונה במעבדה.אז החלו החוקרים לשים לב לתגובה האלקטרוכימית הפנימית ולמנגנון של סוללות ליתיום-אוויר לא מימיות;בשנת 2002, Read et al.מצא כי הביצועים האלקטרוכימיים של סוללות ליתיום-אוויר תלויים בממס האלקטרוליט ובחומרי קתודי האוויר;בשנת 2006, Ogasawara et al.בשימוש בספקטרומטר מסה, הוכח לראשונה כי Li2O2 התחמצן וחמצן שוחרר במהלך הטעינה, מה שאישר את הפיכות האלקטרוכימית של Li2O2.לכן, סוללות ליתיום-אוויר זכו לתשומת לב רבה ולפיתוח מהיר.

② סוללת ליתיום גופרית

 סוללת ליתיום-גופרית היא מערכת סוללות משנית המבוססת על תגובה הפיכה של גופרית בקיבולת סגולית גבוהה (1675mAh/g) ומתכת ליתיום (3860mAh/g), עם מתח פריקה ממוצע של כ-2.15V.צפיפות האנרגיה התיאורטית שלו יכולה להגיע ל-2600Wh/kg.לחומרי הגלם שלה יש את היתרונות של עלות נמוכה וידידותיות לסביבה, ולכן יש לה פוטנציאל פיתוח גדול.ניתן לאתר את המצאת סוללות הליתיום-גופרית בשנות ה-60, כאשר הרברט ואולם הגישו בקשה לפטנט על סוללות.אב הטיפוס של סוללת ליתיום-גופרית זו השתמש בליתיום או בסגסוגת ליתיום כחומר האלקטרודה השלילי, בגופרית כחומר האלקטרודה החיובית ומורכב מאמינים רוויים אליפטיים.של אלקטרוליט.כמה שנים מאוחר יותר, סוללות ליתיום-גופרית שופרו על ידי הכנסת ממיסים אורגניים כמו PC, DMSO ו-DMF, והושגו סוללות 2.35-2.5V.בסוף שנות ה-80, האתרים הוכחו כשימושיים בסוללות ליתיום-גופרית.במחקרים שלאחר מכן, הגילוי של אלקטרוליטים מבוססי אתר, השימוש ב-LiNO3 כתוסף אלקטרוליט, וההצעה של אלקטרודות חיוביות מרוכבות פחמן/גופרית פתחו את תנופת המחקר של סוללות ליתיום-גופרית.

02 עקרון העבודה של סוללת ליתיום-אוויר וסוללת ליתיום-גופרית

① סוללת Li-air

על פי המצבים השונים של האלקטרוליט בשימוש, ניתן לחלק את סוללות הליתיום-אוויר למערכות מימיות, מערכות אורגניות, מערכות היברידיות מים-אורגניות וסוללות ליתיום-אוויר במצב מוצק.ביניהם, בשל הקיבולת הספציפית הנמוכה של סוללות ליתיום-אוויר המשתמשות באלקטרוליטים על בסיס מים, קשיים בהגנה על מתכת ליתיום, והפיכות לקויה של המערכת, סוללות ליתיום-אוויר אורגניות לא מימיות וליתיום-אוויר במצב מוצק. סוללות נמצאות בשימוש נרחב יותר כיום.מחקר.סוללות ליתיום-אוויר לא מימיות הוצעו לראשונה על ידי אברהם וז'ג'יאנג בשנת 1996. משוואת תגובת הפריקה מוצגת באיור 1. תגובת הטעינה הפוכה.האלקטרוליט משתמש בעיקר באלקטרוליט אורגני או באלקטרוליט מוצק, ותוצר הפריקה הוא בעיקר Li2O2, המוצר אינו מסיס באלקטרוליט, וקל להצטבר על האלקטרודה החיובית באוויר, מה שמשפיע על יכולת הפריקה של סוללת הליתיום-אוויר.

לסוללות ליתיום-אוויר יש את היתרונות של צפיפות אנרגיה גבוהה במיוחד, ידידותיות לסביבה ומחיר נמוך, אך המחקר שלהן עדיין בחיתוליו, ועדיין ישנן בעיות רבות לפתור, כגון קטליזה של תגובת הפחתת חמצן, חדירות חמצן והידרופוביות של אלקטרודות אוויר, והשבתת אלקטרודות אוויר וכו'.

② סוללת ליתיום גופרית

סוללות ליתיום גופרית משתמשות בעיקר בגופרית יסודית או תרכובות מבוססות גופרית כחומר האלקטרודה החיובית של הסוללה, וליתיום מתכתי משמש בעיקר לאלקטרודה השלילית.במהלך תהליך הפריקה, מתכת הליתיום הממוקמת באלקטרודה השלילית מתחמצנת כדי לאבד אלקטרון וליצור יוני ליתיום;לאחר מכן האלקטרונים מועברים אל האלקטרודה החיובית דרך המעגל החיצוני, ויוני הליתיום שנוצרו מועברים גם אל האלקטרודה החיובית דרך האלקטרוליט כדי להגיב עם גופרית ליצירת פוליסולפיד.ליתיום (LiPSs), ולאחר מכן להגיב עוד יותר כדי ליצור ליתיום גופרתי כדי להשלים את תהליך הפריקה.במהלך תהליך הטעינה, יוני ליתיום ב-LiPSs חוזרים לאלקטרודה השלילית דרך האלקטרוליט, בעוד אלקטרונים חוזרים לאלקטרודה השלילית דרך מעגל חיצוני ליצירת מתכת ליתיום עם יוני ליתיום, ו-LiPSs מופחתים לגופרית באלקטרודה החיובית כדי להשלים את תהליך טעינה.

תהליך הפריקה של סוללות ליתיום-גופרית הוא בעיקר תגובה אלקטרוכימית מורכבת רב-שלבית, רב-אלקטרונית, רב-פאזית על קתודה הגופרית, ו-LiPS עם אורכי שרשרת שונים הופכים זה לזה במהלך תהליך הטעינה-פריקה.במהלך תהליך הפריקה, התגובה שעלולה להתרחש באלקטרודה החיובית מוצגת באיור 2, והתגובה באלקטרודה השלילית מוצגת באיור 3.

היתרונות של סוללות ליתיום גופרית ברורים מאוד, כמו קיבולת תיאורטית גבוהה מאוד;אין חמצן בחומר, ותגובת התפתחות החמצן לא תתרחש, כך שביצועי הבטיחות טובים;משאבי הגופרית נמצאים בשפע והגופרית היסודית זולה;הוא ידידותי לסביבה ובעל רעילות נמוכה.עם זאת, לסוללות ליתיום-גופרית יש גם כמה בעיות מאתגרות, כמו אפקט המעבורת ליתיום פוליסולפיד;הבידוד של גופרית אלמנטרית ותוצרי הפריקה שלה;הבעיה של שינויים בנפח גדול;ה-SEI הלא יציב ובעיות הבטיחות הנגרמות על ידי אנודות ליתיום;תופעת פריקה עצמית וכו'.

כדור חדש של מערכת סוללות משניות, לסוללות ליתיום-אוויר ולסוללות ליתיום-גופרית ערכי קיבולת ספציפיים תיאורטיים גבוהים מאוד, ומשכו תשומת לב רבה מצד חוקרים ושוק הסוללות המשניות.נכון לעכשיו, שתי הסוללות הללו עדיין מתמודדות עם בעיות מדעיות וטכניות רבות.הם נמצאים בשלב המחקר המוקדם של פיתוח הסוללה.בנוסף לקיבולת וליציבות הספציפית של חומר הקתודה של הסוללה יש צורך לשפר עוד יותר, יש לפתור בדחיפות גם בעיות מפתח כגון בטיחות הסוללה.בעתיד, שני הסוגים החדשים הללו של סוללות עדיין זקוקים לשיפור טכני מתמיד כדי לבטל את הפגמים שלהם כדי לפתוח אפשרויות יישום רחבות יותר.