Was ist eine Lithium-Schwefel-Batterie?

Lithium-Ionen-Batterien (LiCo02) sind Einzelelektronen-Deinterkalationen, während Lithium-Schwefel-Batterien 8-Elektronen-Redox sind. Lithium-Schwefel-Batterien haben daher die Theorie, dass sie die 7-8-fache Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien haben. Obwohl Polymer-Lithium-Batterien in 3C-Produkten aufgrund der begrenzten Energiedichte, dh der begrenzten Batterielebensdauer, weit verbreitet sind, müssen sie häufig aufgeladen werden, was problematisch ist. Das intuitivste Gefühl ist, dass nach dem Wechseln des Smartphones jeder jeden Tag auflädt und selbst der Ladeschatz den Staat nicht verlässt. Die heutige Gesellschaft benötigt einen neuen Typ von Lithium-Ionen-Akkus mit geringen Kosten, ohne Umweltverschmutzung, stabiler Leistung, großer spezifischer Kapazität und hoher Energiedichte, um den Anforderungen einer längeren Akkulaufzeit und einer schnelleren Ladegeschwindigkeit gerecht zu werden.

Entwicklungsgeschichte von Lithium-Schwefel-Batterien: Lithium-Ionen-Batterien haben eine mehr als 30-jährige Geschichte, und Lithium-Schwefel-Batterien sind jünger. 1962 schlugen Herbet und Ulam erstmals die Verwendung von Schwefel als Kathodenmaterial und alkalischem Perchlorat als Elektrolyt vor.

Das frühe Lithium-Schwefel-System wurde als Primärbatterie untersucht und sogar eine Zeit lang kommerzialisiert, später jedoch durch wiederaufladbare Batterien ersetzt und in die Warteschleife gelegt. Im Jahr 2009 schlug Linda F. Nazar einen sekundären Lithium-Schwefel-Akku für Naturmaterialien vor und verwendete CMK-3, um eine hohe spezifische Kapazität von 1320 mAh / g zu erreichen. Seitdem haben Lithium-Schwefel-Batterien wirklich ein Kapitel in der Entwicklung aufgeschlagen.

Das Prinzip der Lithium-Schwefel-Batterie: Die positive Elektrode der Lithium-Schwefel-Batterie ist Schwefel oder schwefelhaltiges Material, und die negative Elektrode ist Lithium. Die durchschnittliche Spannung beträgt 2,1V. Theoretisch hat das Lithium-Schwefel-System (Li-S) eine spezifische Kapazität von 1672 mAh / g und eine Energiedichte von 2600 Wh / kg. Es handelt sich um eine herkömmliche handelsübliche Lithium-Ionen-Batterie mit LiCo02 als positiver Elektrode (theoretische spezifische Kapazität 273,8 mAh / g, Energiedichte 360 ​​Wh / kg) etwa siebenmal. Im Vergleich zu gewöhnlichen Lithium-Ionen-Batterien ist die Entladung von Lithium-Schwefel-Batterien keine einfache Deinterkalation von Lithium-Ionen, sondern ein Redox-Prozess, der von einer großen Anzahl von Zwischenprodukten begleitet wird. Während des Entladevorgangs einer Lithium-Schwefel-Entladungsbatterie reagiert elementarer Schwefel mit Li aus der Ringöffnung von cyclischem S8, und die Umwandlung von langkettigem Li2S8 zu kurzkettigem Li2S wird von zwei offensichtlichen Entladungsplattformen begleitet, der Entladung mit hohem Potential Plattform ist 2,45 V - 2,1 V, der Prozess kann als eine große Menge von S8 zu S42- Umwandlung betrachtet werden, und Entladung mit niedrigem Potential ist 2,1 V - 1,7 V, dieser Prozess ist eine große Menge von S42 - in S22 - und S2 -. Andererseits entsprechen unterschiedliche Umwandlungsgrade auch unterschiedlichen Kapazitäten.

Die Entladungsreaktionsgleichung lautet wie folgt:

Positive Elektrode: S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

Negative Elektrode: Li → Li++e-

Gesamtreaktion: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Gewöhnliche Lithium-Ionen-Batterien sind Einzelelektronen-Deinterkalationen, und Lithium-Schwefel-Batterien sind 8-Elektronen-Redoxbatterien, daher haben sie die 7-8-fache theoretische Kapazität und Energiedichte. Ähnlich wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien bestehen Lithium-Schwefel-Batterien aus einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode, einem Separator, einem Elektrolyten und einem Separator. Lithium-Schwefel-Batterien gelten daher als die vielversprechendste Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien und werden zu einer neuen Energiequelle für eine neue Generation von Energiespeichern.

Schwefelkathodenmaterialien sind ein Schlüsselfaktor, der die Entwicklung und Anwendung von Lithium-Schwefel-Batterien einschränkt. Daher konzentrieren wir uns auf Schwefelkathoden. Gegenwärtig hat die Schwefelkathode des Lithium-Schwefel-Systems auch einige zu lösende Probleme: Shuttle-Effekt, schlechte Leitfähigkeit und Volumenexpansion.

1. Polysulfide lösen sich während des Entladungsprozesses auf (Li2Sx, 3 ＜ x ＜ 8), was zu einer komplexen Disproportionierungsreaktion und einem GG-Shuttle-Effekt&führt, der eine große Menge an Selbstentladung verursacht und die Coulomb-Effizienz und den Coulomb-Zyklus verringert Leistung und irreversible Kapazitätsverschlechterung;

2. Die Leitfähigkeit von elementarem Schwefel und dem Entladungsprodukt Lithiumsulfid ist gering, die Leitfähigkeit von S (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), die Leitfähigkeit von Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), was zu die Verwendung von Schwefel nur etwa 50-70%.

3. Die Umwandlung von orthorhombischem α-S (ρ1=2,03 g / cm3) zu Li2S mit inverser Fluoritstruktur (ρ2=1,66 g / cm3) hat eine große Volumenexpansion, zerstört die Elektrodenstruktur und beeinflusst die Zyklusstabilität.