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什么是锂硫电池?

锂硫电池锂离子电池(LiCo02)是单电子脱嵌,而锂硫电池是8电子氧化还原,因而锂硫电池有是锂离子电池7-8倍容量的理论。尽管聚合物锂电池已经广泛应用于3C产品,但是由于能量密度,也就是容量续航能力有限,需要经常充电,是一件比较麻烦的事情。最为直观的感受就是,换了智能手机之后,大家是每天充电,甚至充电宝不离手的状态。当今社会需要一种低成本,无污染,性能稳定,比容量大,能量密度高的新型锂离子电池满足更长的续航需求和更快的充电速度。

锂硫电池发展史:锂离子电池有30多年的历史,而锂硫电池更年轻。1962年,Herbet和Ulam首次提出使用硫作为正极材料,以碱性高氯酸盐为电解质。

早期锂硫体系作为一次电池被研究,甚至还一度商业化生产,但后来被可充电电池取代搁置。2009年Linda F.Nazar在Nature Materials 上提出关于锂硫二次可充放电池,并用CMK-3实现了1320mAh/g的高比容量。自此锂硫电池真正开启了发展篇章。

锂硫电池原理:锂硫电池正极为硫或含硫材料,负极为锂。平均电压2.1V,理论上锂硫体系(Li-S)具有1672mAh/g的比容量,2600Wh/kg的能量密度,是传统商业化以LiCo02为正极的锂离子电池(理论比容量273.8mAh/g,能量密度360Wh/kg)7倍左右。相比普通锂离子电池,锂硫电池的放电本质不是简单的锂离子脱嵌,而是伴随着大量中间产物的氧化还原过程。锂硫放电电池放电过程中,单质硫从环状S8开环与Li反应,由长链Li2S8向短链Li2S转化的过程中伴随着两个明显的放电平台,高电势放电平台为2.45V—-2.1V,该过程可认为大量S8向S42-转化,而低电势放电则为2.1V—1.7V,此过程为大量S42-转化为S22-与S2-。另一方面,不同的转化程度也对应着不同的电容量。

放电反应方程如下:

正极:S8+16Li+e-→8Li2S

负极:Li→Li++e-

总反应:2Li+nS→Li2Sn→Li2S

普通锂离子电池是单电子脱嵌,锂硫电池是8电子氧化还原,因而有7-8倍的理论容量和能量密度。与传统锂离子电池相似,锂硫电池由正极,负极,隔膜,电解质和隔膜组成。因此锂硫电池被认为是目前最有希翼替代传统锂离子电池,成为新一代的储能设备的新能源。

硫正极材料是制约锂硫电池发展和应用的关键因素,因此大家重点关注硫正极。目前,锂硫体系的硫正极也存在几个问题需要解决:穿梭效应,导电性差,体积膨胀。

1、放电过程中多硫化物溶解(Li2Sx,3<x<8),产生复杂的歧化反应,发生“穿梭效应”,造成大量自放电,库伦效率和循环性能降低,出现不可逆容量衰减;

2、单质硫与放电产物硫化锂的电导率低,S电导率(5×10-30S/cm,25℃),Li2S/Li2S2电导率(~10-30S/cm),造成硫的利用率只有50-70%左右。

3、而且从斜方晶系α-S(ρ1=2.03g/cm3)转化为反萤石结构的Li2S(ρ2=1.66g/cm3),体积膨胀大,破坏电极结构,影响了循环稳定性

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