Co je lithium-sirná baterie?

Lithium-iontové baterie (LiCo02) jsou jednoelektronové deinterkalace, zatímco lithium-sirné baterie jsou 8-elektronově redoxní, takže lithium-sirné baterie mají teorii, že jsou 7-8krát větší než kapacita lithium-iontových baterií. Ačkoli polymerní lithiové baterie byly v produktech 3C široce používány, kvůli omezené hustotě energie, tj. Omezené životnosti baterií, je třeba je často nabíjet, což je obtížná věc. Nejintuitivnější pocit je, že po výměně chytrého telefonu se každý den nabíjí a dokonce ani nabíjecí poklad neopouští stav. Dnešní společnost potřebuje nový typ lithium-iontové baterie s nízkými náklady, bez znečištění, stabilním výkonem, velkou měrnou kapacitou a vysokou hustotou energie, aby splnila potřeby delší životnosti baterie a rychlejší rychlosti nabíjení.

Historie vývoje lithium-sirných baterií: Lithium-iontové baterie mají historii více než 30 let a lithium-sirné baterie jsou mladší. V roce 1962 Herbet a Ulam poprvé navrhli použití síry jako katodového materiálu a alkalického chloristanu jako elektrolytu.

Časný systém lithium-síra byl studován jako primární baterie a na nějaký čas se dokonce komercializoval, ale později byl nahrazen dobíjecími bateriemi a přidržen. V roce 2009 navrhla Linda F. Nazar sekundární dobíjecí lithium-sírovou baterii na Nature Materials a použila CMK-3 k dosažení vysoké specifické kapacity 1320mAh / g. Od té doby lithium-sirné baterie skutečně otevřely kapitolu ve vývoji.

Princip lithium-sirné baterie: kladná elektroda lithium-sirné baterie je síra nebo materiál obsahující síru a záporná elektroda je lithium. Průměrné napětí je 2,1 V. Teoreticky má systém lithium-síra (Li-S) specifickou kapacitu 1672 mAh / ga hustotu energie 2600 Wh / kg. Jedná se o tradiční komerční lithium-iontovou baterii s LiCo02 jako kladnou elektrodou (teoretická specifická kapacita 273,8 mAh / g, hustota energie 360 ​​Wh / kg) přibližně 7krát. Ve srovnání s běžnými lithium-iontovými bateriemi není povahou vybíjení lithium-sírových baterií jednoduchá deinterkalace lithium-iontových iontů, ale redoxní proces doprovázený velkým počtem meziproduktů. Během procesu vybíjení lithium-sirné výbojové baterie reaguje elementární síra s Li z otevření kruhu cyklického S8 a přechod z Li2S8 s dlouhým řetězcem na Li2S s krátkým řetězcem je doprovázen dvěma zjevnými výbojovými platformami, vysokým potenciálem platforma je 2,45 V—- 2,1 V, proces lze považovat za velké množství S8 na S42- konverzi a nízkopotenciální výboj je 2,1V-1,7V, tento proces je velké množství S42- na S22- a S2 -. Na druhou stranu různé stupně převodu také odpovídají různým kapacitám.

Rovnice výbojové reakce je následující:

Kladná elektroda: S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

Záporná elektroda: Li → Li++e-

Celková reakce: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Obyčejné lithium-iontové baterie mají jednoelektronovou deinterkalaci a lithium-sírové baterie jsou 8-elektronově redoxní, takže mají 7-8násobek teoretické kapacity a hustoty energie. Podobně jako tradiční lithium-iontové baterie se lithium-sirné baterie skládají z kladné elektrody, záporné elektrody, separátoru, elektrolytu a separátoru. Proto jsou lithium-sirné baterie považovány za nejslibnější alternativu k tradičním lithium-iontovým bateriím a stávají se novým zdrojem energie pro novou generaci zařízení pro skladování energie.

Materiály obsahující sírovou katodu jsou klíčovým faktorem omezujícím vývoj a použití lithium-sírových baterií, proto se zaměřujeme na sirné katody. V současné době má sirná katoda systému lithium-síra také několik problémů, které je třeba vyřešit: kyvadlový efekt, špatná vodivost a objemová expanze.

1. Polysulfidy se rozpouštějí během procesu vypouštění (Li2Sx, 3 x x 8), což vede ke komplexní disproporcionační reakci a&„kyvadlovému efektu GG“, což způsobuje velké množství samovybíjení, což snižuje účinnost a cyklus Coulomb výkon a způsobující nevratné zhoršení kapacity;

2. Vodivost elementární síry a vypouštěného produktu sulfidu lithného je nízká, vodivost S (5 × 10-30S / cm, 25 °), vodivost Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), což vede k využití síry pouze asi 50-70%.

3. Transformace z ortorombického α-S (ρ1=2,03 g / cm3) na Li2S s inverzní fluoritovou strukturou (ρ2=1,66 g / cm3) má velkou objemovou expanzi, ničí strukturu elektrod a ovlivňuje stabilitu cyklu.