Čo je to lítium-sírová batéria?

Lítium-iónové batérie (LiCo02) sú jednoelektrónovou deinterkaláciou, zatiaľ čo lítium-sírové batérie majú 8-elektrónový redox, takže lítium-sírové batérie majú teóriu, že sú 7-8-násobkom kapacity lítium-iónových batérií. Aj keď sa polymérne lítiové batérie v produktoch 3C často používajú, kvôli obmedzenej hustote energie, to znamená obmedzenej životnosti batérií, je potrebné ich často nabíjať, čo je problematické. Najintuitívnejší pocit je, že po výmene smartphonu sa každý deň nabíja každý človek a dokonca ani nabíjací poklad neopúšťa štát. Dnešná spoločnosť potrebuje nový typ lítium-iónovej batérie s nízkymi nákladmi, bez znečistenia, stabilným výkonom, veľkou špecifickou kapacitou a vysokou hustotou energie, aby vyhovovala potrebám dlhšej životnosti batérie a rýchlejšej rýchlosti nabíjania.

História vývoja lítium-sírových batérií: Lítium-iónové batérie majú históriu viac ako 30 rokov a lítium-sírové batérie sú mladšie. V roku 1962 Herbet a Ulam prvýkrát navrhli použitie síry ako katódového materiálu a alkalického chloristanu ako elektrolytu.

Skorý systém lítium-síra bol študovaný ako primárna batéria a istý čas sa dokonca komercializoval, neskôr ho však nahradili nabíjateľné batérie a podržal sa. V roku 2009 Linda F. Nazar navrhla na Nature Materials sekundárnu nabíjateľnú batériu lítium-síra a na dosiahnutie vysokej špecifickej kapacity 1320 mAh / g použila CMK-3. Odvtedy lítium-sírové batérie skutočne otvorili kapitolu vývoja.

Princíp lítium-sírovej batérie: kladnou elektródou lítium-sírovej batérie je síra alebo materiál obsahujúci síru a zápornou elektródou je lítium. Priemerné napätie je 2,1 V. Teoreticky má systém lítium-síra (Li-S) špecifickú kapacitu 1672 mAh / g a hustotu energie 2 600 Wh / kg. Je to tradičná komerčná lítium-iónová batéria s LiCo02 ako kladnou elektródou (teoretická špecifická kapacita 273,8 mAh / g, hustota energie 360 ​​Wh / kg) asi 7-krát. V porovnaní s bežnými lítium-iónovými batériami nie je povaha vybíjania lítium-sírových batérií jednoduchá lítium-iónová deinterkalácia, ale redoxný proces sprevádzaný veľkým počtom medziproduktov. Počas procesu vybíjania lítium-sírovej výbojovej batérie reaguje elementárna síra s Li z otvorenia kruhu cyklického S8 a premenu z Li2S8 s dlhým reťazcom na Li2S s krátkym reťazcom sprevádzajú dve zjavné výbojové platformy, vysoko potenciálny výboj platforma je 2,45 V—- 2,1 V, proces možno považovať za veľké množstvo konverzie S8 na S42 a nízkopotenciálny výboj je 2,1 V - 1,7 V, pri tomto procese je veľké množstvo S42- na S22- a S2 -. Na druhej strane rôznym stupňom prevodu tiež zodpovedajú rôzne kapacity.

Rovnica výbojovej reakcie je nasledovná:

Pozitívna elektróda: S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

Záporná elektróda: Li → Li++e-

Celková reakcia: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Obyčajné lítium-iónové batérie sú jednoelektrónovou deinterkaláciou a lítium-sírové batérie majú 8-elektrónový redox, takže majú 7-8-násobok teoretickej kapacity a hustoty energie. Podobne ako tradičné lítium-iónové batérie, aj lítium-sírové batérie pozostávajú z pozitívnej elektródy, negatívnej elektródy, separátora, elektrolytu a separátora. Preto sa lítium-sírové batérie považujú za najsľubnejšiu alternatívu k tradičným lítium-iónovým batériám a stávajú sa novým zdrojom energie pre novú generáciu zariadení na skladovanie energie.

Materiály sírnej katódy sú kľúčovým faktorom obmedzujúcim vývoj a použitie lítium-sírnych batérií, preto sa zameriavame na sírne katódy. V súčasnosti je tiež potrebné vyriešiť niekoľko problémov so sírovou katódou systému lítium-síra: kyvadlový efekt, zlá vodivosť a objemová expanzia.

1. Polysulfidy sa rozpúšťajú počas procesu vybíjania (Li2Sx, 3 x 8), čo vedie ku komplexnej disproporcionálnej reakcii a&„kyvadlovému efektu GG“, čo spôsobuje veľké množstvo samovybíjania, čo znižuje účinnosť a cyklus Coulomb výkon a spôsobuje nezvratné zhoršenie kapacity;

2. Vodivosť elementárnej síry a vyprodukovaného produktu sulfid lítny je nízka, vodivosť S (5 × 10-30S / cm, 25 °), vodivosť Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), čo vedie k využitie síry iba asi 50-70%.

3. Transformácia z ortorombického α-S (ρ1=2,03 g / cm3) na Li2S s inverznou fluoritovou štruktúrou (ρ2=1,66 g / cm3) má veľkú objemovú rozťažnosť, ničí štruktúru elektród a ovplyvňuje stabilitu cyklu.