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锂硫电池优缺点有哪些?锂硫电池的工作原理介绍

2020-08-05

导读:本文主要介绍锂硫电池的工作原理以及锂硫电池的优缺点。


锂硫电池是锂电池的一种,截止2013年尚处于科研阶段。锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富,具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池,其材料理论比容量和电池理论比能量较高,分别达到 1675m Ah/g 2600Wh/kg ,远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一种对环境友好的元素,对环境基本没有污染,是一种非常有前景的锂电池。那么锂硫电池的优缺点有哪些?锂硫电池的工作原理是怎么样的?


锂硫电池优缺点有哪些?


锂硫电池除了能量密度非常高外,还具有一些其他的优点,一方面,其生产成本比较低。由于锂硫电池主要采用硫和锂作为生产原材料,生产成本相对较低;另一方面,锂硫电池在使用后低毒,并且回收利用的能耗较小。


锂硫电池主要存在三个主要问题:1、锂多硫化合物溶于电解液;2、硫作为不导电的物质,导电性非常差,不利于电池的高倍率性能;3、硫在充放电过程中,体积的扩大缩小非常大,有可能导致电池损坏。锂硫电池最大的缺点在于其循环利用次数比较低。因为硫化聚合物具有稳定性比较差的特性,所以当前锂硫电池的循环利用次数要远远低于普通的磷酸铁锂电池,这就极大的增加了锂硫电池的使用成本。


锂硫电池优缺点


锂硫电池的工作原理介绍


锂硫电池正极为硫或含硫材料,负极为锂。平均电压2.1V,理论上锂硫体系(Li-S)具有1672mAh/g的比容量,2600Wh/kg的能量密度,是传统商业化以LiCo02为正极的锂离子电池(理论比容量273.8mAh/g,能量密度360Wh/kg7倍左右。相比普通锂离子电池,锂硫电池的放电本质不是简单的锂离子脱嵌,而是伴随着大量中间产物的氧化还原过程。


锂硫放电电池放电过程中,单质硫从环状S8开环与Li反应,由长链Li2S8向短链Li2S转化的过程中伴随着两个明显的放电平台,高电势放电平台为2.45V—-2.1V,该过程可认为大量S8S42-转化,而低电势放电则为2.1V—1.7V,此过程为大量S42-转化为S22-S2-。另一方面,不同的转化程度也对应着不同的电容量。放电反应方程如下:


正极:S8+16Li+e-→8Li2S

负极:Li→Li++e-

总反应:2Li+nS→Li2Sn→Li2S


普通锂离子电池是单电子脱嵌,锂硫电池是8电子氧化还原,因而有7-8倍的理论容量和能量密度。与传统锂离子电池相似,锂硫电池由正极,负极,隔膜,电解质和隔膜组成。因此锂硫电池被认为是目前最有希望替代传统锂离子电池,成为新一代的储能设备的新能源。


拓展:锂硫电池的进展


近几十年来,为了提高活性物质硫的利用率,限制多硫化锂的溶解以及电池循环性能差的问题,研究者在电解质及复合正极材料改性等方面进行了大量探索研究。对于电解质的改性,主要是采用固体电解质、凝胶电解质或在电解液中添加LiNO3离子液体等措施,以限制电极反应过程中产生的多硫化锂溶解和减小飞梭效应,提高了活性物质硫的利用率,从而达到改善锂硫电池的循环性能的目的。


对于硫基复合正极材料的改性,主要是将具有良好导电性能及特定结构的基质材料与单质硫复合制备高性能的硫基复合正极材料。其中,引入的基质材料应具有以下功能:


1、良好的导电性;

2、活性物质硫可以在基质材料上均匀分散,以确保活性物质的高利用率;

3、要对硫及多硫化物的溶解具有抑制作用。研究发现,通过将活性物质硫与活性炭、介孔碳、纳米碳纤维(CNF)、多壁碳纳米管(MWCNTs)、石墨烯、聚丙烯腈(PAN)、聚苯胺(PAn)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)等具有特定结构的基质材料制备硫基复合正极材料,可以显著改善锂硫电池的循环性能和倍率性能。


以上就是电池生产厂商格瑞普为大家带来的锂硫电池优缺点有哪些以及锂硫电池的工作原理介绍。


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