Wat is een lithiumzwavelbatterij?

Lithium-ionbatterijen (LiCo02) zijn de-intercalatie met één elektron, terwijl lithium-zwavelbatterijen 8-elektronenredox zijn, dus lithium-zwavelbatterijen hebben de theorie dat ze 7-8 keer de capaciteit hebben van lithium-ionbatterijen. Hoewel lithium-polymeerbatterijen op grote schaal worden gebruikt in 3C-producten, moeten ze vanwege de beperkte energiedichtheid, dat wil zeggen de beperkte levensduur van de batterij, vaak worden opgeladen, wat lastig is. Het meest intuïtieve gevoel is dat na het wisselen van de smartphone iedereen elke dag oplaadt en zelfs de oplaadschat de staat niet verlaat. De huidige samenleving heeft een nieuw type lithium-ionbatterij nodig met lage kosten, geen vervuiling, stabiele prestaties, grote specifieke capaciteit en hoge energiedichtheid om te voldoen aan de behoeften van een langere levensduur van de batterij en een snellere laadsnelheid.

Ontwikkelingsgeschiedenis van lithium-zwavelbatterijen: lithium-ionbatterijen hebben een geschiedenis van meer dan 30 jaar en lithium-zwavelbatterijen zijn jonger. In 1962 stelden Herbet en Ulam voor het eerst het gebruik van zwavel als kathodemateriaal en alkalisch perchloraat als elektrolyt voor.

Het vroege lithium-zwavel-systeem werd bestudeerd als een primaire batterij en zelfs enige tijd gecommercialiseerd, maar het werd later vervangen door oplaadbare batterijen en in de wacht gezet. In 2009 stelde Linda F. Nazar een secundaire oplaadbare lithium-zwavelbatterij op Nature Materials voor en gebruikte CMK-3 om een ​​hoge specifieke capaciteit van 1320 mAh / g te bereiken. Sindsdien hebben lithium-zwavelbatterijen echt een hoofdstuk in ontwikkeling geopend.

Het principe van een lithiumzwavelbatterij: de positieve elektrode van een lithiumzwavelbatterij is zwavel- of zwavelhoudend materiaal en de negatieve elektrode is lithium. De gemiddelde spanning is 2,1V. In theorie heeft het lithium-zwavelsysteem (Li-S) een specifieke capaciteit van 1672 mAh / g en een energiedichtheid van 2600 Wh / kg. Het is een traditionele commerciële lithium-ionbatterij met LiCo02 als positieve elektrode (theoretische specifieke capaciteit 273,8 mAh / g, energiedichtheid 360 Wh / kg) ongeveer 7 keer. In vergelijking met gewone lithium-ionbatterijen is de aard van de ontlading van lithium-zwavelbatterijen niet een simpele de-intercalatie van lithiumionen, maar een redoxproces dat gepaard gaat met een groot aantal tussenproducten. Tijdens het ontladingsproces van de lithium-zwavelontladingsbatterij reageert elementaire zwavel met Li uit de ringopening van cyclische S8, en de conversie van Li2S8 met lange keten naar Li2S met korte keten gaat gepaard met twee voor de hand liggende ontladingsplatforms, de ontlading met hoog potentieel platform is 2.45V—- 2.1V, het proces kan worden beschouwd als een grote hoeveelheid S8 naar S42- conversie, en de lage potentiële ontlading is 2.1V-1.7V, dit proces is een grote hoeveelheid S42- in S22- en S2 -. Aan de andere kant komen verschillende conversiegraden ook overeen met verschillende capaciteiten.

De ontladingsreactievergelijking is als volgt:

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

Negatieve elektrode: Li → Li++e-

Totale reactie: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Gewone lithium-ionbatterijen zijn de-intercalatie met één elektron, en lithium-zwavelbatterijen zijn 8-elektronenredox, dus ze hebben 7-8 keer de theoretische capaciteit en energiedichtheid. Net als traditionele lithium-ionbatterijen bestaan ​​lithium-zwavelbatterijen uit een positieve elektrode, een negatieve elektrode, een scheider, een elektrolyt en een scheider. Daarom worden lithium-zwavelbatterijen beschouwd als het meest veelbelovende alternatief voor traditionele lithium-ionbatterijen en worden ze een nieuwe energiebron voor een nieuwe generatie energieopslagapparatuur.

Zwavelkathodematerialen zijn een sleutelfactor die de ontwikkeling en toepassing van lithium-zwavelbatterijen beperkt, daarom concentreren we ons op zwavelkathoden. Momenteel heeft de zwavelkathode van het lithium-zwavelsysteem ook verschillende problemen die moeten worden opgelost: shuttle-effect, slecht geleidingsvermogen en volume-expansie.

1. Polysulfiden lossen op tijdens het ontladingsproces (Li2Sx, 3 ＜ x ＜ 8), wat resulteert in een complexe disproportioneringsreactie en een" shuttle-effect" ;, wat een grote hoeveelheid zelfontlading veroorzaakt, waardoor de efficiëntie en cyclus van Coulomb afnemen prestaties en onomkeerbare capaciteitsverlies veroorzaken;

2. De geleidbaarheid van elementaire zwavel en het ontladingsproduct lithiumsulfide is laag, de geleidbaarheid van S (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), de geleidbaarheid van Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), wat resulteert in het gebruik van zwavel slechts ongeveer 50-70%.

3. De transformatie van orthorhombisch α-S (ρ1=2,03 g / cm3) naar Li2S met omgekeerde fluorietstructuur (ρ2=1,66 g / cm3) heeft een grote volume-expansie, vernietigt de elektrodestructuur en beïnvloedt de cyclusstabiliteit.