Cos'è una batteria al litio-zolfo?

Le batterie agli ioni di litio (LiCo02) sono deintercalazione a singolo elettrone, mentre le batterie al litio-zolfo sono redox a 8 elettroni, quindi le batterie al litio-zolfo hanno la teoria che sono 7-8 volte la capacità delle batterie agli ioni di litio. Sebbene le batterie ai polimeri di litio siano state ampiamente utilizzate nei prodotti 3C, a causa della densità di energia limitata, ovvero della durata limitata della batteria, devono essere caricate frequentemente, il che è un problema. La sensazione più intuitiva è che dopo aver cambiato lo smartphone, tutti si ricaricano ogni giorno e anche il tesoro di ricarica non sta lasciando lo stato. La società odierna ha bisogno di un nuovo tipo di batteria agli ioni di litio a basso costo, nessun inquinamento, prestazioni stabili, grande capacità specifica e alta densità di energia per soddisfare le esigenze di una maggiore durata della batteria e una maggiore velocità di ricarica.

Storia dello sviluppo delle batterie al litio-zolfo: le batterie agli ioni di litio hanno una storia di oltre 30 anni e le batterie al litio-zolfo sono più giovani. Nel 1962, Herbet e Ulam proposero per la prima volta l'uso dello zolfo come materiale catodico e del perclorato alcalino come elettrolita.

Il primo sistema litio-zolfo fu studiato come batteria primaria e per un certo periodo fu anche commercializzato, ma in seguito fu sostituito da batterie ricaricabili e messo in attesa. Nel 2009, Linda F. Nazar ha proposto una batteria secondaria ricaricabile al litio-zolfo su Nature Materials e ha utilizzato CMK-3 per ottenere un'elevata capacità specifica di 1320 mAh / g. Da allora, le batterie al litio-zolfo hanno davvero aperto un capitolo nello sviluppo.

Il principio della batteria al litio-zolfo: l'elettrodo positivo della batteria al litio-zolfo è materiale contenente zolfo o zolfo e l'elettrodo negativo è al litio. La tensione media è di 2,1 V. In teoria, il sistema litio-zolfo (Li-S) ha una capacità specifica di 1672 mAh / ge una densità di energia di 2600 Wh / kg. È una tradizionale batteria commerciale agli ioni di litio con LiCo02 come elettrodo positivo (capacità specifica teorica 273,8 mAh / g, densità di energia 360 Wh / kg) circa 7 volte. Rispetto alle normali batterie agli ioni di litio, la natura della scarica delle batterie al litio-zolfo non è semplice deintercalazione agli ioni di litio, ma un processo redox accompagnato da un gran numero di prodotti intermedi. Durante il processo di scarica della batteria di scarica al litio-zolfo, lo zolfo elementare reagisce con Li dall'apertura dell'anello di S8 ciclico e la conversione da Li2S8 a catena lunga a Li2S a catena corta è accompagnata da due ovvie piattaforme di scarica, la scarica ad alto potenziale la piattaforma è 2,45 V - 2,1 V, il processo può essere considerato una grande quantità di conversione da S8 a S42 e la scarica a basso potenziale è 2,1 V-1,7 V, questo processo è una grande quantità di S42 in S22 e S2 -. D'altra parte, diversi gradi di conversione corrispondono anche a diverse capacità.

L'equazione della reazione di scarica è la seguente:

Elettrodo positivo: S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

Elettrodo negativo: Li → Li++e-

Reazione totale: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Le normali batterie agli ioni di litio sono deintercalazione a singolo elettrone e le batterie al litio-zolfo sono redox a 8 elettroni, quindi hanno 7-8 volte la capacità teorica e la densità di energia. Simile alle tradizionali batterie agli ioni di litio, le batterie al litio-zolfo sono costituite da un elettrodo positivo, un elettrodo negativo, un separatore, un elettrolita e un separatore. Pertanto, le batterie al litio-zolfo sono considerate l'alternativa più promettente alle tradizionali batterie agli ioni di litio e diventano una nuova fonte di energia per una nuova generazione di apparecchiature per l'accumulo di energia.

I materiali catodici di zolfo sono un fattore chiave che limita lo sviluppo e l'applicazione di batterie al litio-zolfo, quindi ci concentriamo sui catodi di zolfo. Allo stato attuale, anche il catodo di zolfo del sistema litio-zolfo ha diversi problemi da risolvere: effetto navetta, scarsa conduttività ed espansione di volume.

1. I polisolfuri si dissolvono durante il processo di scarica (Li2Sx, 3 ＜ x ＜ 8), provocando una complessa reazione di sproporzione e un effetto navetta"", provocando una grande quantità di autoscarica, riducendo l'efficienza e il ciclo di Coulomb prestazioni e causando un degrado irreversibile della capacità;

2. La conducibilità dello zolfo elementare e del solfuro di litio del prodotto di scarica è bassa, la conduttività di S (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), la conduttività di Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), con conseguente l'utilizzo di solo zolfo Circa il 50-70%.

3. La trasformazione da α-S ortorombica (ρ1=2,03 g / cm3) a Li2S con struttura di fluorite inversa (ρ2=1,66 g / cm3) ha una grande espansione di volume, distrugge la struttura dell'elettrodo e influisce sulla stabilità del ciclo.