Hvad er et lithium-svovlbatteri?

Lithium-ion-batterier (LiCo02) er enkelt-elektron-afinterkalering, mens lithium-svovl-batterier er 8-elektron-redox, så lithium-svovl-batterier har teorien om, at de er 7-8 gange kapaciteten af ​​lithium-ion-batterier. Selvom polymerlithiumbatterier har været meget udbredt i 3C-produkter på grund af den begrænsede energitæthed, det vil sige den begrænsede batterilevetid, skal de oplades ofte, hvilket er en besværlig ting. Den mest intuitive følelse er, at alle efter opladning af smarttelefonen oplader hver dag, og selv opladningsskatten forlader ikke staten. Dagens samfund har brug for en ny type lithium-ion-batteri med lave omkostninger, ingen forurening, stabil ydelse, stor specifik kapacitet og høj energitæthed for at imødekomme behovene for længere batterilevetid og hurtigere opladningshastighed.

Lithium-svovlbatteriets udviklingshistorie: Lithium-ion-batterier har en historie på mere end 30 år, og lithium-svovlbatterier er yngre. I 1962 foreslog Herbet og Ulam først brugen af ​​svovl som et katodemateriale og alkalisk perchlorat som elektrolyt.

Det tidlige lithium-svovlsystem blev undersøgt som et primært batteri og endda kommercialiseret i en periode, men det blev senere erstattet af genopladelige batterier og sat på hold. I 2009 foreslog Linda F. Nazar et litium-svovl sekundært genopladeligt batteri på Nature Materials og brugte CMK-3 til at opnå en høj specifik kapacitet på 1320 mAh / g. Siden da har lithium-svovlbatterier virkelig åbnet et kapitel i udvikling.

Princippet om lithium-svovlbatteri: den positive elektrode af lithium-svovlbatteri er svovlholdigt eller svovlholdigt materiale, og den negative elektrode er lithium. Den gennemsnitlige spænding er 2,1V. I teorien har lithium-svovlsystemet (Li-S) en specifik kapacitet på 1672mAh / g og en energitæthed på 2600Wh / kg. Det er et traditionelt kommercielt lithiumionbatteri med LiCo02 som den positive elektrode (teoretisk specifik kapacitet 273.8mAh / g, energitæthed 360Wh / kg) ca. 7 gange. Sammenlignet med almindelige lithium-ion-batterier er udladningen af ​​lithium-svovlbatterier ikke simpel lithiumion-deinterkalering, men en redox-proces ledsaget af et stort antal mellemprodukter. Under afladningsprocessen for lithium-svovludladningsbatteri reagerer elementært svovl med Li fra ringåbningen til cyklisk S8, og omdannelsen fra langkædet Li2S8 til kortkædet Li2S ledsages af to åbenlyse udladningsplatforme, den høje potentialudladning platformen er 2,45V—- 2,1V, processen kan betragtes som en stor mængde S8 til S42- konvertering, og lavt potentialudladning er 2.1V-1.7V, denne proces er en stor mængde S42- til S22- og S2 -. På den anden side svarer forskellige konverteringsgrader også til forskellige kapacitanser.

Udledningsreaktionsligningen er som følger:

Positiv elektrode: S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

Negativ elektrode: Li → Li++e-

Total reaktion: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Almindelige lithium-ion-batterier er enkeltelektron-deinterkalering, og lithium-svovlbatterier er 8-elektron-redox, så de har 7-8 gange den teoretiske kapacitet og energitæthed. I lighed med traditionelle lithium-ion-batterier består lithium-svovlbatterier af en positiv elektrode, en negativ elektrode, en separator, en elektrolyt og en separator. Derfor betragtes lithium-svovlbatterier som det mest lovende alternativ til traditionelle lithium-ion-batterier og bliver en ny energikilde til en ny generation af energilagringsudstyr.

Svovlkatodematerialer er en nøglefaktor, der begrænser udviklingen og anvendelsen af ​​lithium-svovlbatterier, så vi fokuserer på svovlkatoder. På nuværende tidspunkt har svovlkatoden i lithium-svovlsystemet også flere problemer, der skal løses: shuttle-effekt, dårlig ledningsevne og volumenudvidelse.

1. Polysulfider opløses under afladningsprocessen (Li2Sx, 3 ＜ x ＜ 8), hvilket resulterer i en kompleks disproportioneringsreaktion og en" shuttle effekt" ;, der forårsager en stor mængde selvudladning, hvilket reducerer Coulomb effektivitet og cyklus ydeevne og forårsager irreversibel kapacitetsforringelse

2. Ledningsevnen for elementært svovl og afladningsproduktet lithiumsulfid er lav, ledningsevnen af ​​S (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), ledningsevnen af ​​Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), hvilket resulterer i udnyttelsen af ​​svovl kun ca. 50-70%.

3. Transformationen fra orthorhombisk α-S (ρ1=2,03 g / cm3) til Li2S med invers fluoritstruktur (ρ2=1,66 g / cm3) har stor volumenudvidelse, ødelægger elektrodestrukturen og påvirker cyklusstabilitet.