鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:7201次 | 2018年05月29日
鋰硫電池的工作原理及存在的問題
鋰硫電池是鋰電池的一種,以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池,單質(zhì)硫在地球中儲量豐富,具有價格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)。
鋰硫電池介紹
鋰硫電池是鋰電池的一種,以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。單質(zhì)硫在地球中儲量豐富,具有價格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)。利用硫作為正極材料的鋰硫電池,其材料理論比容量和電池理論比能量較高,分別達(dá)到1675mAh/g和2600Wh/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰電池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一種對環(huán)境友好的元素,對環(huán)境基本沒有污染,是一種非常有前景的鋰電池。
鋰硫電池以硫為正極反應(yīng)物質(zhì),以鋰為負(fù)極。放電時負(fù)極反應(yīng)為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子,正極反應(yīng)為硫與鋰離子及電子反應(yīng)生成硫化物,正極和負(fù)極反應(yīng)的電勢差即為鋰硫電池所提供的放電電壓。在外加電壓作用下,鋰硫電池的正極和負(fù)極反應(yīng)逆向進(jìn)行,即為充電過程。根據(jù)單位質(zhì)量的單質(zhì)硫完全變?yōu)镾2-所能提供的電量可得出硫的理論放電質(zhì)量比容量為1675mAh/g,同理可得出單質(zhì)鋰的理論放電質(zhì)量比容量為3860mAh/g。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V,當(dāng)硫與鋰完全反應(yīng)生成硫化鋰(Li2S)時。相應(yīng)鋰硫電池的理論放電質(zhì)量比能量為2600Wh/kg。
下面我們再來看一下鋰硫電池的充放電表現(xiàn):
從放電曲線來看,鋰硫電池存在兩個放電平臺,高電壓平臺2.4V左右,低電壓平臺2.1V左右,但是容量卻非常高,輕松1000+mAh/g。這個過程中存在很多的中間產(chǎn)物,Li2S8、Li2S6、Li2S4。這些中間產(chǎn)物往往就是礙事的,它們的存在給硫正極帶來很多的問題,如穿梭效應(yīng),溶解性的問題,而且最終的產(chǎn)物是電子絕緣體,這就降低了其反應(yīng)的動力學(xué)速率,使電池的倍率性能下降,硫的密度比產(chǎn)物L(fēng)i2S要大,也就是說Li2S比S堆起來更加蓬松,那么體積就不可避免的膨脹,這也是一個不可避免的問題。
到這里應(yīng)該基本能搞清楚鋰硫電池遇到的問題是什么,目前的研究也基本就集中在這些問題上,做到高能量密度,提高正極S的含量,增強(qiáng)循環(huán)穩(wěn)定性,安全性。
鋰硫電池存在的問題
鋰硫電池存在的主要問題:鋰硫化合物溶于電解液;硫作為不導(dǎo)電的物質(zhì),導(dǎo)電性非常差,不利于電池的高倍率性能;硫在充放電過程中,體積的擴(kuò)大縮小非常大,有可能導(dǎo)致電池?fù)p壞。
第一、單質(zhì)硫的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性差,硫材料在室溫下的電導(dǎo)率極低(5.0×10-30S·cm-1),反應(yīng)的最終產(chǎn)物L(fēng)i2S2和Li2S也是電子絕緣體,不利于電池的高倍率性能。
第二、為鋰硫電池的中間放電產(chǎn)物會溶解到有機(jī)電解液中,增加電解液的黏度,降低離子導(dǎo)電性。多硫離子能在正負(fù)極之間遷移,導(dǎo)致活性物質(zhì)損失和電能的浪費(fèi)。(Shuttle效應(yīng))。溶解的多硫化物會跨越隔膜擴(kuò)散到負(fù)極,與負(fù)極反應(yīng),破壞了負(fù)極的固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)。
第三、鋰硫電池的最終放電產(chǎn)物L(fēng)i2Sn(n=1~2)電子絕緣且不溶于電解液,沉積在導(dǎo)電骨架的表面;部分硫化鋰脫離導(dǎo)電骨架,無法通過可逆的充電過程反應(yīng)變成硫或者是高階的多硫化物,造成了容量的極大衰減。
第四、硫和硫化鋰的密度分別為2.07和1.66g·cm-3,在充放電過程中有高達(dá)79%的體積膨脹/收縮,這種膨脹會導(dǎo)致正極形貌和結(jié)構(gòu)的改變,導(dǎo)致硫與導(dǎo)電骨架的脫離,從而造成容量的衰減;這種體積效應(yīng)在紐扣電池下不顯著,但在大型電池中體積效應(yīng)會放大,會產(chǎn)生顯著的容量衰減,有可能導(dǎo)致電池的損壞,巨大的體積變化會破壞電極結(jié)構(gòu)。
第五、鋰硫電池使用金屬鋰作為負(fù)極,除了金屬鋰自身的高活性,金屬鋰負(fù)極在充放電過程會發(fā)生體積變化,并容易形成枝晶。
第六、鋰硫電池實驗室規(guī)模的研究開展較多,單位面積上硫載量一般都在3.0mg·cm-2以下,開展高負(fù)載量極片的研究對于獲得高性能鋰硫電池具有重要價值。