Die Entwicklung von Lithium-Metall-Batterien hat viele Jahre der Forschung und Verbesserung hinter sich. Die ersten Lithium-Metall-Batterien lassen sich bis in die 1970er Jahre zurückverfolgen.
Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie wurden die Energiedichte und die Sicherheit der Lithium-Metall-Batterie verbessert, so dass sie zu einer wichtigen Energielösung in den Bereichen Elektrofahrzeuge und Speicherung erneuerbarer Energien.
In Zukunft wird der Entwicklungstrend der Lithium-Metall-Batterie weiter auf hohe Energiedichte, niedrige Kosten und Umweltschutzmerkmale abzielen, um den wachsenden Energiebedarf und die Anforderungen an eine nachhaltige Entwicklung in der Welt zu erfüllen. globale Energiespeicherung.
1. Was ist eine Lithium-Metall-Batterie?
Lithiumbatterien lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: Lithium-Metall-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien. Lithium-Metall-Batterien gehören zu den Batterien, die metallisches Lithium als negative Elektrode verwenden. Die passenden positiven Elektrodenmaterialien können Sauerstoff, elementarer Schwefel, Metalloxide und andere Stoffe sein; Lithium-Ionen-Batterien enthalten kein metallisches Lithium und sind wiederaufladbar.
2. Funktionsprinzip der Lithium-Metall-Batterie
Lithium-Metall-Batterien verwenden im Allgemeinen Mangandioxid als positives Elektrodenmaterial, metallisches Lithium oder dessen Legierungsmetall als negatives Elektrodenmaterial und eine nichtwässrige Elektrolytlösung.
- Entladungsreaktion
Li+MnO2=LiMnO2
Lithium-Ionen-Batterien verwenden im Allgemeinen Lithiumlegierungsmetalloxid als positives Elektrodenmaterial, Graphit als negatives Elektrodenmaterial und einen nichtwässrigen Elektrolyten.
- Die Reaktion, die an der geladenen positiven Elektrode stattfindet
LiCoO2=Li(1-x)CoO2+xLi++xe-(Elektron)
- Die Reaktion, die an der negativen Elektrode beim Aufladen stattfindet
6C+xLi++xe- = LixC6
- Gesamtreaktion der wiederaufladbaren Batterie:
LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
Der Hauptunterschied zwischen metallischen Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien besteht darin, dass metallische Lithium-Ionen-Batterien Einwegbatterien sind, während Lithium-Ionen-Batterien wiederaufladbare Zyklusbatterien sind.
Das Prinzip der metallischen Lithium-Ionen-Batterien ist das gleiche wie das der herkömmlichen Trockenbatterien. Sie verwenden metallisches Lithium als Elektrode und erzeugen elektrische Energie durch die Korrosion oder Oxidation von metallischem Lithium.
Es ist nach dem Gebrauch unbrauchbar und kann nicht wieder aufgeladen werden. Lithium-Ionen-Batterien werden im Allgemeinen aus Lithium-Kobalt-Oxid hergestellt. Die positive Elektrode besteht aus Kohlenstoff, und die negative Elektrode besteht aus Kohlenstoff.
Der Elektrolyt ist in der Mitte gefüllt, um einen Kanal für freie Ionen zu bilden, und ein Separator trennt die positiven und negativen Elektroden, um Kurzschlüsse zu verhindern. Wenn Sie mehr Informationen über das Unternehmen bess manufacturing company erhalten möchten, klicken Sie auf die Top-Bess-Hersteller.
Da die chemischen Eigenschaften von Lithium-Metall-Batterien sehr aktiv sind, stellen die Verarbeitung, Lagerung und Verwendung von Lithium-Metall-Batterien sehr hohe Anforderungen an die Umwelt.
3. Vorteile der Lithium-Metall-Batterie
Lithiummetall gilt aufgrund seiner sehr hohen theoretischen spezifischen Kapazität (3860 mAh-g-1) und seines sehr niedrigen Redoxpotentials (-3,04 V gegenüber der Wasserstoff-Elektrode) als ideales Anodenmaterial.
Obwohl die praktische Anwendung von Lithium-Metall-Anoden immer noch durch Probleme wie Dendritenwachstum und niedrige Coulomb-Effizienz begrenzt ist, hat die rasche Entwicklung neuer Materialien und Elektroden-Designs in den letzten Jahren viele Engpässe in diesem Bereich überwunden und die praktische Anwendung von Lithium-Batterien mit hoher spezifischer Energie beschleunigt.
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4. Aufbau einer Lithium-Metall-Batterie
- Dreidimensionales Skelettdesign
Das dreidimensionale Skelett kann einen Lithiumabscheidungsmechanismus mit einer hohen spezifischen Oberfläche bilden und den Träger mit lithiophilen Substanzen modifizieren, um das Wachstum von Lithiumdendriten zu hemmen, wie z. B. Graphen/Kohlenstoffnanoröhren/Lithium-Verbundanoden.
- Oberflächenpassivierung von Lithium-Metall-Batterien
Die Beschichtung mit Fluorid, Lithiumverbindungen und organischen Polymeren verhindert schwerwiegende Reaktionen zwischen dem Elektrolyten und dem Lithium, wodurch ein übermäßiger Verlust von Lithium verhindert und die Stabilität der Grenzflächen aufrechterhalten wird.
- Funktionelle Gestaltung der Membrane
Nach den aktuellen neuen Standards für die Konstruktion von Separatoren muss der Separator nicht nur als Barriere zwischen positiven und negativen Kontakten dienen, sondern auch eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit aufweisen, um das Wachstum von Lithium-Dendriten zu begrenzen. Darüber hinaus muss er auch Funktionen wie die Regulierung der Ionenleitung, die Stabilisierung der positiven und negativen aktiven Materialien und die Erkennung von Batteriekurzschlüssen erfüllen. Hier finden Sie weitere Informationen über die Batterie-Energiespeichersystem. entwerfen
5. Aktuelle Probleme mit Lithium-Metall-Batterien
- Unkontrollierbares Wachstum von Lithium-Dendriten führt zu ernsthaften Sicherheitsproblemen
- Die thermodynamische Instabilität der Lithium-Metall-Batterie aufgrund ihres hohen Fermi-Niveaus führt zu irreversiblen und kontinuierlichen Reaktionen zwischen Lithium und dem Elektrolyten, wodurch sich eine dicke Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) auf der Oberfläche der Lithium-Metall-Batterie bildet, die Lithium und Elektrolyt verbraucht, den Innenwiderstand erhöht und somit die Lebensdauer verkürzt.
- Während wiederholter Beschichtungs- und Abziehvorgänge kann die Lithium-Metall-Anode große Volumen- und morphologische Veränderungen erfahren, aber der oben erwähnte SEI-Film ist zu zerbrechlich, um solche signifikanten Veränderungen in der Lithium-Metallelektrode vollständig zu unterdrücken.
6. Entwicklungstrends der Lithium-Metall-Batterie
- Besseres Verständnis von SEI-Schichten auf Lithiummetall
Ein klares Verständnis der tatsächlichen Rolle von SEI im Lithiummetallbeschichtungs- und -abstreifungsprozess wird die rationelle Gestaltung von Elektrolyten, Lithiumanoden und Separatoren erleichtern und ist ein wichtiger Forschungsbedarf für eine effiziente Abscheidung von metallischem Lithium.
- Verbesserung der Haltbarkeit des Elektrolyts
Entwicklung eines hochwertigen und effizienten "Blockers" mit hoher Ionenleitfähigkeit und hoher chemischer/elektrochemischer Stabilität zwischen Lithiummetall und Elektrolyt oder Optimierung der Koordinierung von Salzen und Lösungsmitteln in flüssigen Elektrolyten, um sie gegen Lithiummetall resistent zu machen, das eine hohe Stabilität aufweist.
- Überdenken Sie die Stabilität von Lithium-Metall
Gegenwärtig werden die meisten Bewertungen der Stabilität von Lithiummetallen bei wiederholten Ablagerungs-/Auflösungsprozessen immer noch in Li-Li- oder Li-Cu-Zellen durchgeführt, und nicht in echten Lithiumzellen mit interkalierten Kathoden, Schwefelelektroden und Sauerstoffelektroden. Metall-Batterien.
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