Co to jest bateria litowo-siarkowa?

Akumulatory litowo-jonowe (LiCo02) mają deinterkalację pojedynczych elektronów, podczas gdy akumulatory litowo-siarkowe to 8-elektronowe akumulatory redoks, więc akumulatory litowo-siarkowe mają teorię, że mają pojemność 7-8 razy większą niż akumulatory litowo-jonowe. Chociaż baterie litowo-polimerowe są szeroko stosowane w produktach 3C, ze względu na ograniczoną gęstość energii, to znaczy ograniczoną żywotność baterii, należy je często ładować, co jest kłopotliwe. Najbardziej intuicyjne jest to, że po zmianie smartfona każdy ładuje się każdego dnia, a nawet skarb ładowania nie opuszcza stanu. Dzisiejsze społeczeństwo potrzebuje nowego typu baterii litowo-jonowej o niskim koszcie, bez zanieczyszczeń, stabilnej wydajności, dużej pojemności właściwej i wysokiej gęstości energii, aby sprostać potrzebom dłuższej żywotności baterii i szybszej prędkości ładowania.

Historia rozwoju akumulatorów litowo-siarkowych: akumulatory litowo-jonowe mają ponad 30-letnią historię, a akumulatory litowo-siarkowe są młodsze. W 1962 roku Herbet i Ulam po raz pierwszy zaproponowali zastosowanie siarki jako materiału katodowego i alkalicznego nadchloranu jako elektrolitu.

Wczesny system litowo-siarkowy badano jako baterię podstawową, a nawet przez pewien czas sprzedawano go na rynku, ale później zastąpiono go bateriami wielokrotnego ładowania i zawieszono. W 2009 roku Linda F. Nazar zaproponowała wtórny akumulator litowo-siarkowy na materiałach Nature i zastosowała CMK-3, aby uzyskać wysoką pojemność właściwą 1320 mAh / g. Od tego czasu akumulatory litowo-siarkowe naprawdę otworzyły rozdział w rozwoju.

Zasada działania baterii litowo-siarkowej: elektrodą dodatnią baterii litowo-siarkowej jest siarka lub materiał zawierający siarkę, a elektrodą ujemną jest lit. Średnie napięcie wynosi 2,1 V. Teoretycznie układ litowo-siarkowy (Li-S) ma pojemność właściwą 1672 mAh / gi gęstość energii 2600 Wh / kg. Jest to tradycyjna komercyjna bateria litowo-jonowa z LiCo02 jako elektrodą dodatnią (teoretyczna pojemność właściwa 273,8 mAh / g, gęstość energii 360 Wh / kg) około 7 razy. W porównaniu ze zwykłymi akumulatorami litowo-jonowymi, charakter rozładowania akumulatorów litowo-siarkowych nie polega na prostej deinterkalacji litowo-jonowej, ale na procesie redoks, któremu towarzyszy duża liczba produktów pośrednich. Podczas procesu rozładowywania akumulatora litowo-siarkowego siarka elementarna reaguje z Li z otwarcia pierścienia cyklicznego S8, a konwersji z długołańcuchowego Li2S8 na krótkołańcuchowy Li2S towarzyszą dwie oczywiste platformy rozładowania, wyładowanie o wysokim potencjale Platforma to 2,45 V - - 2,1 V, proces można uznać za dużą ilość konwersji S8 na S42, a rozładowanie o niskim potencjale to 2,1 V-1,7 V, ten proces to duża ilość S42 - na S22- i S2 -. Z drugiej strony różne stopnie konwersji odpowiadają również różnym pojemnościom.

Równanie reakcji wyładowania jest następujące:

Elektroda dodatnia: S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

Elektroda ujemna: Li → Li++e-

Całkowita reakcja: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Zwykłe akumulatory litowo-jonowe mają deinterkalację pojedynczych elektronów, a akumulatory litowo-siarkowe to 8-elektronowe akumulatory redoks, dzięki czemu mają 7-8 razy większą pojemność teoretyczną i gęstość energii. Podobnie jak tradycyjne akumulatory litowo-jonowe, akumulatory litowo-siarkowe składają się z elektrody dodatniej, elektrody ujemnej, separatora, elektrolitu i separatora. Dlatego akumulatory litowo-siarkowe są uważane za najbardziej obiecującą alternatywę dla tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych i stają się nowym źródłem energii dla nowej generacji urządzeń do przechowywania energii.

Siarkowe materiały katodowe są kluczowym czynnikiem ograniczającym rozwój i zastosowanie baterii litowo-siarkowych, dlatego skupiamy się na katodach siarkowych. Obecnie katoda siarkowa układu litowo-siarkowego również ma do rozwiązania kilka problemów: efekt wahadłowy, słabe przewodnictwo i rozszerzenie objętości.

1. Polisulfidy rozpuszczają się podczas procesu wyładowania (Li2Sx, 3 ＜ x ＜ 8), powodując złożoną reakcję dysproporcjonowania i efekt wahadłowy"", powodując dużą ilość samorozładowania, zmniejszając wydajność i cykl Coulomba wydajności i powodując nieodwracalne pogorszenie wydajności;

2. Przewodność siarki elementarnej i produktu wyładowania siarczku litu jest niska, przewodnictwo S (5 × 10-30 S / cm, 25 ℃), przewodnictwo Li2S / Li2S2 (~ 10-30 S / cm), co skutkuje wykorzystanie tylko siarki Około 50-70%.

3. Transformacja z rombowego α-S (ρ1=2,03g / cm3) do Li2S o odwróconej strukturze fluorytu (ρ2=1,66g / cm3) powoduje duże rozszerzenie objętości, niszczy strukturę elektrody i wpływa na stabilność cyklu.