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7、锂硫电池
锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。与一般锂离子电池最大的不同是,锂硫电池的反应机理是电化学反应,而不是锂离子脱嵌。锂硫电池的工作原理是基于复杂的电化学反应,到目前为止,对硫电极在充放电过程中形成的中间产物还未能进行突破性的表征。一般认为:放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子,正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物,正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下,锂硫电池的正极和负极反应逆向进行,即为充电过程。
锂硫电池最大的优势在于其理论比容量(1672mAh/g)和比能量(2600Wh/kg)较高,远高于目前市场上广泛使用的其它类型锂离子电池,而且由于单质硫储量丰富,使这种电池价格低廉且环境友好。然而,锂硫电池也具有一些缺点:单质硫的电子导电性和离子导电性差;锂硫电池的中间放电产物会溶解到有机电解液中,多硫离子能在正负极之间迁移,导致活性物质损失;金属锂负极在充放电过程会发生体积变化,并容易形成枝晶;硫正极在充放电过程中有高达79%的体积膨胀/收缩。
解决上述问题的主要方法一般从电解液和正极材料两个方面入手:电解液方面,主要用醚类的电解液作为电池的电解液,电解液中加入一些添加剂,可以非常有效的缓解锂多硫化合物的溶解问题;正极材料方面,主要是把硫和碳材料复合,或者把硫和有机物复合,可以解决硫的不导电和体积膨胀问题。
锂硫电池目前还处于实验室研发阶段,中科院、南洋理工、斯坦福、日本产业技术综合研究所与筑波大学的研究处于领先地位,而SionPower公司已经在笔记本、无人机领域开展了卓有意义的应用尝试。
8、锂空电池
锂空气电池是一种新型的大容量锂离子电池,由日本产业技术综合研究所与日本学术振兴会(JSPS)共同研制开发。电池以金属锂作为负极,空气中的氧作为正极,两电极之间由固态电解质隔开;负极采用有机电解液,正极则使用水性电解液。
在放电时负极以锂离子的形式溶于有机电解液,然后穿过固体电解质迁移到正极的水性电解液中;电子通过导线传输到正极,空气中的氧气和水在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根,在正极的水性电解液中与锂离子结合生成水溶性的氢氧化锂。在充电时电子通过导线传输到负极,锂离子由正极的水性电解液穿过固体电解质到达负极表面,在负极表面发生反应生成金属锂;正极的氢氧根失去电子生成氧。
锂空电池通过更换正极电解液和负极锂可以无需充电,放电容量高达50000mAh/g,能量密度高,理论上30kg金属锂与40L汽油释放的能量相同;产物氢氧化锂容易回收,环境友好。但是循环稳定性、转换效率和倍率性能是其不足之处。
2015年,剑桥大学格雷开发出了高能量密度的锂空气,充电次数“超过2000次”,能源使用效率理论上超过90%,使锂空气电池的实用化又向前迈进了一步。早在2009年,IBM公司于启动了一项可持续发展的交通项目,来开发一种适合于家用电动汽车的锂空气电池,希望一次充电能行驶约500英里,近期日本旭化成和中央玻璃公司也加入了这一项目,科研机构与知名公司在锂空气电池领域的研发必将极大促进这一电池技术的应用。
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