Vad är ett litium-svavelbatteri?

Litiumjonbatterier (LiCo02) är en-elektronavinterkalering, medan litium-svavelbatterier är 8-elektronredox, så litium-svavelbatterier har teorin att de är 7-8 gånger kapaciteten hos litiumjonbatterier. Även om polymerlitiumbatterier har använts i stor utsträckning i 3C-produkter, på grund av den begränsade energitätheten, det vill säga den begränsade batteritiden, måste de laddas ofta, vilket är besvärligt. Den mest intuitiva känslan är att efter byte av smarttelefon laddar alla varje dag, och till och med laddningsskatten lämnar inte staten. Dagens samhälle behöver en ny typ av litiumjonbatteri med låg kostnad, ingen förorening, stabil prestanda, stor specifik kapacitet och hög energitäthet för att tillgodose behoven av längre batteritid och snabbare laddningshastighet.

Litium-svavelbatteriets utvecklingshistoria: Litiumjonbatterier har en historia på mer än 30 år och litium-svavelbatterier är yngre. 1962 föreslog Herbet och Ulam först att svavel skulle användas som katodmaterial och alkaliskt perklorat som elektrolyt.

Det tidiga litium-svavelsystemet studerades som ett primärt batteri och till och med kommersialiserades en tid, men det ersattes senare av uppladdningsbara batterier och sattes på vänteläge. 2009 föreslog Linda F. Nazar ett sekundärt uppladdningsbart litium-svavelbatteri på Nature Materials och använde CMK-3 för att uppnå en hög specifik kapacitet på 1320 mAh / g. Sedan dess har litium-svavelbatterier verkligen öppnat ett kapitel i utveckling.

Principen för litium-svavelbatteri: den positiva elektroden för litium-svavelbatteriet är svavel- eller svavelinnehållande material, och den negativa elektroden är litium. Medelspänningen är 2,1V. I teorin har litium-svavelsystemet (Li-S) en specifik kapacitet på 1672mAh / g och en energitäthet på 2600Wh / kg. Det är ett traditionellt kommersiellt litiumjonbatteri med LiCo02 som den positiva elektroden (teoretisk specifik kapacitet 273,8 mAh / g, energitäthet 360Wh / kg) cirka 7 gånger. Jämfört med vanliga litiumjonbatterier är urladdningen av litium-svavelbatterier inte enkel avskiljning av litiumjon utan en redoxprocess åtföljd av ett stort antal mellanprodukter. Under urladdningsprocessen för litium-svavel urladdningsbatteri reagerar elementärt svavel med Li från ringöppningen av cyklisk S8, och omvandlingen från långkedjig Li2S8 till kortkedjad Li2S åtföljs av två uppenbara urladdningsplattformar, den höga potentiella urladdningen plattformen är 2,45V—- 2,1V, processen kan betraktas som en stor mängd S8 till S42- omvandling, och urladdning med låg potential är 2,1V-1,7V, denna process är en stor mängd S42- till S22- och S2 -. Å andra sidan motsvarar olika omvandlingsgrader också olika kapacitanser.

Urladdningsreaktionsekvationen är som följer:

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

Negativ elektrod: Li → Li++e-

Total reaktion: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Vanliga litiumjonbatterier är enelektronavinterkalering och litiumsvavelbatterier är 8-elektronredox, så de har 7-8 gånger den teoretiska kapaciteten och energitätheten. Liksom traditionella litiumjonbatterier består litium-svavelbatterier av en positiv elektrod, en negativ elektrod, en separator, en elektrolyt och en separator. Därför anses litium-svavelbatterier vara det mest lovande alternativet till traditionella litiumjonbatterier och blir en ny energikälla för en ny generation av energilagringsutrustning.

Svavelkatodmaterial är en nyckelfaktor som begränsar utvecklingen och tillämpningen av litium-svavelbatterier, så vi fokuserar på svavelkatoder. För närvarande har svavelkatoden i litium-svavelsystemet också flera problem att lösa: skytteleffekt, dålig ledningsförmåga och volymutvidgning.

1. Polysulfider löses upp under urladdningsprocessen (Li2Sx, 3 ＜ x ＜ 8), vilket resulterar i en komplex disproportioneringsreaktion och en" skytteleffekt" ;, orsakar en stor mängd självurladdning, vilket minskar Coulomb-effektiviteten och cykeln prestanda och orsakar irreversibel kapacitetsnedbrytning;

2. Konduktiviteten hos elementärt svavel och urladdningsprodukten litiumsulfid är låg, konduktiviteten hos S (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), ledningsförmågan hos Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), vilket resulterar i användningen av svavel endast cirka 50-70%.

3. Transformationen från ortorombisk α-S (ρ1=2,03 g / cm3) till Li2S med invers fluoritstruktur (ρ2=1,66 g / cm3) har stor volymutvidgning, förstör elektrodstrukturen och påverkar cykelstabiliteten.