鋰硫電池簡(jiǎn)介

1、鋰硫電池簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介：鋰離子電池（LiCoO2）是單電子脫嵌，鋰硫電池是8電子氧化還原，因而有7-8倍的理論容量。前言：鋰電池目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日常生活中。近幾年新能源產(chǎn)業(yè)被政府大力支持，短時(shí)間內(nèi)鋰電領(lǐng)域不論是科研界還是商業(yè)圈都被鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。沒(méi)拿到諾貝爾獎(jiǎng)，老爺子GoodEnough哭暈在廁所；三星Note7爆炸門(mén)，iphone6s凍死關(guān)機(jī)；比亞迪放棄磷酸鋰鐵，轉(zhuǎn)投三元材料；董大媽?zhuān)ǘ髦椋┫屡_(tái)，私人投資珠海銀??；還有最讓人鬧心的新能源騙保事件，2016,鋰電走在風(fēng)口浪尖。鋰電的簡(jiǎn)史：鋰電池，簡(jiǎn)稱(chēng)鋰電，包含金屬鋰電池，鋰離子電池，鋰硫電池，鋰空電池等，多數(shù)情況下大家指的是目前商業(yè)應(yīng)用的鉆酸鋰（L

2、iCoO2）。二十世紀(jì)80年代，朝日化學(xué)制品公司最早開(kāi)始研發(fā)鋰離子電池體系（Li-ion）1。1980年，GoodEnough發(fā)表了正極層狀材料LiCoO2的專(zhuān)利。1990年sony首先推出技術(shù)較為成熟的商業(yè)化鋰離子電池15。1991年，索尼引入18650電池，并在1992-2006年之間快速發(fā)展2。在此之后，鋰離子電池以極其驚人的發(fā)展速度，迅速取代市場(chǎng)上的Ni-Cd和Ni-MH電池（目前人們意識(shí)里充電電池二鋰電池，大多數(shù)人甚至不知道有這兩類(lèi)可充電電池）。最為直觀的感受就是，換了智能手機(jī)之后，大家是每天充電，甚至充電寶不離手的狀態(tài)。當(dāng)今社會(huì)更需要一種低成本，無(wú)污染，性能穩(wěn)定，比容量大，能量密度

3、高的新型鋰離子電池7-10。就像某手機(jī)廣告里那樣，充電5分鐘，通話倆小時(shí)。鋰硫電池發(fā)展史：鋰離子電池有30多年的歷史，而鋰硫電池更年輕。1962年，Herbet和Ulam首次提出使用硫作為正極材料，以堿性高氯酸鹽為電解質(zhì)24。早期鋰硫體系作為一次電池被研究，甚至還一度商業(yè)化生產(chǎn)，但后來(lái)被可充電電池取代擱置。2009年LindaF.Nazar在NatureMaterials上提出關(guān)于鋰硫二次可充放電池，并用CMK-3實(shí)現(xiàn)了1320mAh/g的高比容量。自此鋰硫電池真正開(kāi)啟了發(fā)展篇章。鋰硫電池原理：鋰硫電池正極為硫或含硫材料，負(fù)極為鋰。平均電壓2.1V，理論上鋰硫體系（Li-S）具有1672mAh

4、/g的比容量，2600Wh/kg的能量密度，是傳統(tǒng)商業(yè)化以LiCoO2為正極的鋰離子電池（理論比容量273.8mAh/g，能量密度360Wh/kg）7倍左右11-13。相比普通鋰離子電池，鋰硫電池的放電本質(zhì)不是簡(jiǎn)單的鋰離子脫嵌，而是伴隨著大量中間產(chǎn)物的氧化還原過(guò)程。鋰硫放電電池放電過(guò)程中，單質(zhì)硫從環(huán)狀S8開(kāi)環(huán)與Li反應(yīng)，由長(zhǎng)鏈Li2s8向短鏈Li2s轉(zhuǎn)化的過(guò)程中伴隨著兩個(gè)明顯的放電平臺(tái)，高電勢(shì)放電平臺(tái)為2.45V2.1V,該過(guò)程可認(rèn)ArodflCtiarge舊ArodflCtiarge舊plating為大量S8向S42-轉(zhuǎn)化，而低電勢(shì)放電則為2.1V1.7V,此過(guò)程為大量S42-轉(zhuǎn)化為S22-

5、與S2-。另一方面，不同的轉(zhuǎn)化程度也對(duì)應(yīng)著不同的電容量。圖1：鋰硫.電池原理圖口放電反應(yīng)方程如下：正極：S8+16Li+e-8Li2s負(fù)極：Li-Li+e-總反應(yīng)：2Li+nS-Li2Sn-Li2S普通鋰離子電池是單電子脫嵌，鋰硫電池是8電子氧化還原，因而有7-8倍的理論容量和能量密度。與傳統(tǒng)鋰離子電池相似，鋰硫電池由正極，負(fù)極，隔膜，電解質(zhì)和隔膜組成。因此鋰硫電池被認(rèn)為是目前最有希望替代傳統(tǒng)鋰離子電池，成為新一代的儲(chǔ)能設(shè)備的新能源。硫正極材料是制約鋰硫電池發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素，因此我們重點(diǎn)關(guān)注硫正極。目前,鋰硫體系的硫正極也存在幾個(gè)問(wèn)題需要解決：穿梭效應(yīng)，導(dǎo)電性差，體積膨脹。1、放電過(guò)程中多

6、硫化物溶解(Li2Sx,3xSulphur-TiO2ydIIctIi回的制備原理圖？b、c為其對(duì)應(yīng)的SEM圖CuiYi小組延續(xù)Nazar的研究，發(fā)現(xiàn)PEO包覆并不能有效改善鋰硫電池的循環(huán)性能。該小組在此基礎(chǔ)上，在CMK-3外層包覆PEDOT：PSS作為殼體，防止多硫化物的擴(kuò)散，效果明顯。但該方案依舊具有很大缺陷，隨后，該小組還以PVP為表面活性劑，控制單質(zhì)硫的粒徑在納米級(jí)別，以硫代硫酸鈉作為硫源，滴加濃鹽酸液相沉積納米硫顆粒。最為代表的研究是Sulphur-TiO2yolk-shell16，蛋黃式空心球結(jié)構(gòu)的內(nèi)部孔隙空間來(lái)容納硫的體積膨脹,將多硫化物溶解降到最低。0.5C放電倍率下，初次放電比

7、容量達(dá)到1030mAh/g,循環(huán)1000圈，衰減率小于0.033%,該團(tuán)隊(duì)首次將鋰硫電池的循環(huán)性能大大改善。.JiulinWang團(tuán)隊(duì)（關(guān)鍵詞：聚合物復(fù)合）聞2洞朗Li*+2S45DMF力所PANiflink幅中也hQN-inLgrf|kpnin】口MIF;m由小Saso-xidaiYiwdcycliza4ion(HgSFBleaM):CartKHnizalJontofomhoneyeooibCstoudurefpsitialNrQirovB,OmOOOQQCQqaitill!IItf)dn修“ur&基lj*ir%兒卜u叫WLp好5ooccccoxcoaULLL-L-圖4:L12S/PAN和C

8、.;Sg.PANI兩種聚合甥的,厚理圖口在大家都忙著做碳材料（介孔碳和石墨烯等）時(shí)，JiulinWang團(tuán)隊(duì)在聚合物方面有所突破，聚合物相比碳材料具有更好的循環(huán)性能和耐高低溫屬性4。其代表作，pPANS/GNScomposite17達(dá)到1500mAh/g比容量。與此同時(shí)，美國(guó)康納爾大學(xué)利用Li2s與PAN熱交聯(lián)5同樣制備出性能優(yōu)異的聚合物復(fù)合材料。國(guó)內(nèi)仍有大量研究人員熱衷與開(kāi)發(fā)聚合物復(fù)合材料，并制備出從一維納米線到三維網(wǎng)絡(luò)的不同結(jié)構(gòu)。聚合物材料在循環(huán)和耐高低溫性能方面表現(xiàn)突出。.沈陽(yáng)金屬所（關(guān)鍵詞：純硫）鋰硫電池逐漸向軟包裝應(yīng)用方面發(fā)展，提高硫含量是一個(gè)重點(diǎn)，沈陽(yáng)金屬所在國(guó)內(nèi)目前鋰硫電池軟包裝

9、做的相當(dāng)出色。其代表作Graphene-Pure-SulfurSandwichStructured能夠提高硫含量，并保持良好的導(dǎo)電性和循環(huán)性能。硫含量超過(guò)71%，首次比容量為1345mAh/g，循環(huán)50圈后比容量仍然超過(guò)1000mAh/go2015年，ArumugamManthiram制備了與之相似的Layer-by-Layer3夾層結(jié)構(gòu)，將載硫量提高至11.4mg/cm2,單位面積電容量達(dá)到11.3mAh/cm2,鋰硫電池的性能真正開(kāi)始達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。Alfoil/S+G-separatorPclysulfideshuttleSulfurQu品Polysuifidcrfieervflirs總結(jié)

10、：鋰硫電池作為新型鋰電，不斷發(fā)展，潛力巨大。面對(duì)著廣闊的市場(chǎng)需求，扣式電池大多數(shù)只適用于實(shí)驗(yàn)室研究。目前市場(chǎng)廣泛需求的依舊是軟包裝的鋰離子電池。因此，從扣式半電池向軟包裝全電池的發(fā)展是鋰硫電池的必然發(fā)展方向。國(guó)外已經(jīng)有相關(guān)公司如：美國(guó)Sion公司，英國(guó)OXIS公司，都在嘗試研發(fā)并批量生產(chǎn)推出商業(yè)化軟包裝鋰硫電池。而國(guó)內(nèi)大量中科院研究所也陸續(xù)的推出了自主研發(fā)的軟包裝鋰硫電池。就國(guó)內(nèi)各研究組而言，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬所制備的鋰硫電池性能較為出色。而當(dāng)鋰硫電池真正投入商業(yè)應(yīng)用的時(shí)候，將會(huì)為我們的生活生產(chǎn)帶來(lái)極大便利。圖5：分別為GrapheneAlfoil/S+G-separatorPclysulfideshuttleSulfurQu品Polysuifidcrfieervflirs總結(jié)：鋰硫電池作為新型鋰電，不斷發(fā)展，潛力巨大。面對(duì)著廣闊的市場(chǎng)需求，扣式電池大多數(shù)只適用于實(shí)驗(yàn)室研究。目前市場(chǎng)廣泛需求的依舊是軟包裝的鋰離子電池。因此，從扣式半電池向軟包裝全電池的發(fā)展是鋰硫電池的必然發(fā)展方向。國(guó)外已經(jīng)有相關(guān)公司如：美國(guó)Sion公司，英國(guó)OXIS公司，都在嘗試研發(fā)并批量生產(chǎn)推出商業(yè)化軟包裝鋰硫電池。而國(guó)內(nèi)大量中科院研究所也陸續(xù)的推出了自主研發(fā)的軟包裝鋰硫電池。就國(guó)內(nèi)各研究組而言，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬所制備的鋰硫電池性能較為出色。