Что такое литий-серная батарея?

Литий-ионные батареи (LiCo02) являются одноэлектронными деинтеркаляционными, в то время как литий-серные батареи имеют 8-электронный окислительно-восстановительный потенциал, поэтому считается, что литий-серные батареи в 7-8 раз превышают емкость литий-ионных батарей. Хотя полимерные литиевые батареи широко используются в продуктах 3C, из-за ограниченной плотности энергии, то есть ограниченного срока службы батареи, их необходимо часто заряжать, что является проблемой. Самое интуитивное ощущение, что после смены смартфона все заряжаются каждый день, и даже зарядка сокровища не покидает штат. Современному обществу нужен новый тип литий-ионного аккумулятора с низкой стоимостью, без загрязнения окружающей среды, стабильной производительностью, большой удельной емкостью и высокой плотностью энергии для удовлетворения потребностей в более длительном сроке службы аккумулятора и более высокой скорости зарядки.

История разработки литий-серных батарей: история развития литий-ионных батарей составляет более 30 лет, а литий-серные батареи моложе. В 1962 году Хербет и Улам впервые предложили использовать серу в качестве катодного материала и щелочной перхлорат в качестве электролита.

Ранняя система литий-сера изучалась в качестве первичной батареи и какое-то время даже продавалась, но позже она была заменена аккумуляторными батареями и приостановлена. В 2009 году Линда Ф. Назар предложила литий-серную вторичную перезаряжаемую батарею на Nature Materials и использовала CMK-3 для достижения высокой удельной емкости 1320 мАч / г. С тех пор литий-серные батареи по-настоящему открыли главу в развитии.

Принцип литий-серной батареи: положительный электрод литий-серной батареи представляет собой серу или серосодержащий материал, а отрицательный электрод - литий. Среднее напряжение 2,1 В. Теоретически система литий-сера (Li-S) имеет удельную емкость 1672 мАч / г и плотность энергии 2600 Втч / кг. Это традиционный коммерческий литий-ионный аккумулятор с LiCo02 в качестве положительного электрода (теоретическая удельная емкость 273,8 мАч / г, плотность энергии 360 Втч / кг) примерно в 7 раз. По сравнению с обычными литий-ионными аккумуляторами, природа разряда литий-серных аккумуляторов - это не простая деинтеркаляция литий-ионных аккумуляторов, а окислительно-восстановительный процесс, сопровождающийся большим количеством промежуточных продуктов. Во время процесса разрядки литий-серной батареи элементарная сера реагирует с Li из разомкнутого кольца циклического S8, и переход от длинноцепочечного Li2S8 к короткоцепочечному Li2S сопровождается двумя очевидными разрядными платформами: разрядом с высоким потенциалом платформа составляет 2,45 В - - 2,1 В, процесс можно рассматривать как большое количество преобразования S8 в S42-, а разряд с низким потенциалом составляет 2,1-1,7 В, этот процесс представляет собой большое количество S42- в S22- и S2 -. С другой стороны, разная степень преобразования также соответствует разной емкости.

Уравнение реакции разряда выглядит следующим образом:

Положительный электрод: S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

Отрицательный электрод: Li → Li++e-

Полная реакция: 2Li + нС → Li2Sn → Li2S

Обычные литий-ионные батареи деинтеркалируют одноэлектронно, а литий-серные батареи имеют 8-электронный окислительно-восстановительный потенциал, поэтому их емкость и плотность энергии в 7-8 раз выше теоретической. Как и традиционные литий-ионные батареи, литий-серные батареи состоят из положительного электрода, отрицательного электрода, сепаратора, электролита и сепаратора. Поэтому литий-серные батареи считаются наиболее многообещающей альтернативой традиционным литий-ионным батареям и становятся новым источником энергии для нового поколения оборудования для хранения энергии.

Катодные материалы на основе серы являются ключевым фактором, ограничивающим разработку и применение литий-серных батарей, поэтому мы уделяем особое внимание серным катодам. В настоящее время серный катод системы литий-сера также имеет несколько проблем, которые необходимо решить: эффект челнока, плохая проводимость и объемное расширение.

1. Полисульфиды растворяются во время процесса разряда (Li2Sx, 3 x 8), что приводит к сложной реакции диспропорционирования и&"челночному эффекту GG", вызывая большое количество саморазряда, снижая кулоновский КПД и цикл производительность и вызывает необратимую деградацию емкости;

2. Электропроводность элементарной серы и сульфида лития продукта разряда низкая, проводимость S (5 × 10-30S / см, 25 ℃), проводимость Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / см), в результате Использование серы только около 50-70%.

3. Превращение орторомбического α-S (ρ1=2,03 г / см3) в Li2S с обратной структурой флюорита (ρ2=1,66 г / см3) имеет большое объемное расширение, разрушает структуру электрода и влияет на стабильность цикла.