鋰硫電池介紹

鋰硫電池不同于鋰離子電池、燃料電池、空氣電池之類的，它是正二八經(jīng)的電池，和傳統(tǒng)電池原理最接近的電池，正極材料一般由硫和高導(dǎo)電性材料復(fù)合而成，這主要是因為硫本身不導(dǎo)電，如上圖中的黃點和黑點就是硫和碳的混合物，所以這就是說硫作為正極必須加導(dǎo)電劑，而且是高導(dǎo)電性的，這就降低了正極硫的能量密度（導(dǎo)電劑占了重量但不產(chǎn)生能量）；負極采用鋰片，這東西活性很高，作為負極沒話說，但用的時候注意安全，活性高往往意味這危險存在；然后是電解質(zhì)主要是一些鋰鹽溶液，電解液不同與鋰離子電池常用的酯類物質(zhì)，鋰硫一般用的都是醚類物質(zhì)，這里也是一個很講究的地方，電解液與正極會接觸，那么就涉及到硫及其正極產(chǎn)物會不會直接溶解在這個里面，這就造成電池循環(huán)性能的下降；還有隔膜。

下面我們再來看一下鋰硫電池的充放電表現(xiàn)：

從放電曲線來看，鋰硫電池存在兩個放電平臺，高電壓平臺2.4V左右，低電壓平臺2.1V左右，但是容量卻非常高，輕松1000+mAh/g，從這張圖還可以看到這個過程中存在很多的中間產(chǎn)物，Li2S8、Li2S6、Li2S4.。。這些中間產(chǎn)物往往就是礙事的，它們的存在給硫正極帶來很多的問題，如穿梭效應(yīng)，溶解性的問題，而且最終的產(chǎn)物是電子絕緣體，這就降低了其反應(yīng)的動力學(xué)速率，使電池的倍率性能下降，硫的密度比產(chǎn)物Li2S要大，也就是說Li2S比S堆起來更加蓬松，那么體積就不可避免的膨脹，這也是一個不可避免的問題。

到這里應(yīng)該基本能搞清楚鋰硫電池遇到的問題是什么，目前的研究也基本就集中在這些問題上，做到高能量密度，提高正極S的含量，增強循環(huán)穩(wěn)定性，安全性。順便提一下，在這個研究過程中，設(shè)備的損傷確實蠻大的，傷不起啊。

鋰硫電池的充放電原理

典型的鋰硫電池一般采用單質(zhì)硫作為正極，金屬鋰片作為負極，它的反應(yīng)機理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機理，而是電化學(xué)機理。

鋰硫電池以硫為正極反應(yīng)物質(zhì)，以鋰為負極。放電時負極反應(yīng)為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子，正極反應(yīng)為硫與鋰離子及電子反應(yīng)生成硫化物，正極和負極反應(yīng)的電勢差即為鋰硫電池所提供的放電電壓。在外加電壓作用下，鋰硫電池的正極和負極反應(yīng)逆向進行，即為充電過程。根據(jù)單位質(zhì)量的單質(zhì)硫完全變?yōu)镾2-所能提供的電量可得出硫的理論放電質(zhì)量比容量為1675mAh/g，同理可得出單質(zhì)鋰的理論放電質(zhì)量比容量為3860mAh/g。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當硫與鋰完全反應(yīng)生成硫化鋰（Li2S）時。相應(yīng)鋰硫電池的理論放電質(zhì)量比能量為2600Wh/kg。

硫電極的充電和放電反應(yīng)較復(fù)雜，截止2013年對硫電極在充電和放電反應(yīng)中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物還沒有明確的認識。鋰負極與硫正極的充放電反應(yīng)如式（1-1）至式（1-4）所示，硫電極的放電過程主要包括兩個步驟，分別對應(yīng)兩個放電平臺。式（1-2）對應(yīng)S8的環(huán)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)镾n2-（3≤n≤7）離子的鏈狀結(jié)構(gòu)，并與Li+結(jié)合生成Li2Sn，該反應(yīng)在放電曲線上對應(yīng)2.42.1V附近的放電平臺。式（1-3）對應(yīng)Sn2-離子的鏈狀結(jié)構(gòu)變?yōu)镾2-和S22-并與Li+結(jié)合生成Li2S2和Li2S，該反應(yīng)對應(yīng)放電曲線中2.11.8V附近較長的放電平臺，該平臺是鋰硫電池的主要放電區(qū)域。YuanLixia等人研究了鋰硫電池中硫正極的電化學(xué)反應(yīng)過程。他們認為放電時位于2.52.05V電位區(qū)間對應(yīng)單質(zhì)硫還原生成可溶的多硫化物及多硫化物的進一步還原，位于2.051.5V電位區(qū)間對應(yīng)可溶的多硫化物還原生成硫化鋰固態(tài)膜，它覆蓋在導(dǎo)電碳基體表面。充電時，硫電極中Li2S和Li2S2被氧化S8和Sm2-（6≤m≤7），并不能完全氧化成S8，該充電反應(yīng)在充電曲線中對應(yīng)2.5~2.4V附近的充電平臺。

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