¿Qué es una batería de litio y azufre?

Las baterías de iones de litio (LiCo02) son de desintercalación de un solo electrón, mientras que las baterías de litio-azufre son redox de 8 electrones, por lo que las baterías de litio-azufre tienen la teoría de que tienen entre 7 y 8 veces la capacidad de las baterías de iones de litio. Aunque las baterías de polímero de litio se han utilizado ampliamente en los productos 3C, debido a la densidad de energía limitada, es decir, la duración limitada de la batería, es necesario cargarlas con frecuencia, lo cual es un problema. La sensación más intuitiva es que después de cambiar el teléfono inteligente, todos se cargan todos los días, e incluso el tesoro de carga no abandona el estado. La sociedad actual necesita un nuevo tipo de batería de iones de litio con bajo costo, sin contaminación, rendimiento estable, gran capacidad específica y alta densidad de energía para satisfacer las necesidades de una batería de mayor duración y una velocidad de carga más rápida.

Historial de desarrollo de las baterías de litio-azufre: las baterías de iones de litio tienen una historia de más de 30 años y las baterías de litio-azufre son más recientes. En 1962, Herbet y Ulam propusieron por primera vez el uso de azufre como material de cátodo y perclorato alcalino como electrolito.

El primer sistema de litio-azufre se estudió como una batería primaria e incluso se comercializó durante un tiempo, pero luego fue reemplazado por baterías recargables y suspendido. En 2009, Linda F. Nazar propuso una batería recargable secundaria de litio-azufre en Nature Materials y utilizó CMK-3 para lograr una alta capacidad específica de 1320 mAh / g. Desde entonces, las baterías de litio-azufre realmente han abierto un capítulo en el desarrollo.

El principio de la batería de litio-azufre: el electrodo positivo de la batería de litio-azufre es azufre o material que contiene azufre, y el electrodo negativo es de litio. El voltaje medio es de 2,1 V. En teoría, el sistema de litio-azufre (Li-S) tiene una capacidad específica de 1672mAh / gy una densidad de energía de 2600Wh / kg. Es una batería de iones de litio comercial tradicional con LiCo02 como electrodo positivo (capacidad específica teórica 273,8 mAh / g, densidad de energía 360 Wh / kg) aproximadamente 7 veces. En comparación con las baterías de iones de litio ordinarias, la naturaleza de la descarga de las baterías de litio-azufre no es una simple desintercalación de iones de litio, sino un proceso redox acompañado de una gran cantidad de productos intermedios. Durante el proceso de descarga de la batería de descarga de litio-azufre, el azufre elemental reacciona con el Li de la apertura del anillo del cíclico S8, y la conversión de Li2S8 de cadena larga a Li2S de cadena corta se acompaña de dos plataformas de descarga obvias, la descarga de alto potencial La plataforma es de 2,45 V, 2,1 V, el proceso se puede considerar una gran cantidad de conversión de S8 a S42 y la descarga de bajo potencial es de 2,1 V a 1,7 V, este proceso es una gran cantidad de S42 en S22 y S2. -. Por otro lado, diferentes grados de conversión también corresponden a diferentes capacitancias.

La ecuación de la reacción de descarga es la siguiente:

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

Electrodo negativo: Li → Li++e-

Reacción total: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Las baterías de iones de litio ordinarias son de desintercalación de un solo electrón, y las baterías de litio-azufre son redox de 8 electrones, por lo que tienen entre 7 y 8 veces la capacidad teórica y la densidad de energía. Al igual que las baterías de iones de litio tradicionales, las baterías de litio-azufre constan de un electrodo positivo, un electrodo negativo, un separador, un electrolito y un separador. Por lo tanto, las baterías de litio-azufre se consideran la alternativa más prometedora a las baterías tradicionales de iones de litio y se convierten en una nueva fuente de energía para una nueva generación de equipos de almacenamiento de energía.

Los materiales de cátodos de azufre son un factor clave que restringe el desarrollo y la aplicación de baterías de litio-azufre, por lo que nos centramos en los cátodos de azufre. En la actualidad, el cátodo de azufre del sistema de litio-azufre también tiene varios problemas por resolver: efecto lanzadera, mala conductividad y expansión de volumen.

1. Los polisulfuros se disuelven durante el proceso de descarga (Li2Sx, 3 ＜ x ＜ 8), lo que resulta en una reacción de desproporción compleja y un&"efecto lanzadera"&", lo que provoca una gran cantidad de autodescarga, lo que reduce la eficiencia y el ciclo de Coulomb. rendimiento y degradación irreversible de la capacidad;

2. La conductividad del azufre elemental y el sulfuro de litio del producto de descarga es baja, la conductividad de S (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), la conductividad de Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), lo que resulta en la utilización de azufre sólo Alrededor del 50-70%.

3. La transformación de α-S ortorrómbico (ρ1=2.03g / cm3) a Li2S con estructura de fluorita inversa (ρ2=1.66g / cm3) tiene una gran expansión de volumen, destruye la estructura del electrodo y afecta la estabilidad del ciclo.