鋰硫電池的工作原理及存在的問題有哪些

鋰硫電池是鋰電池的一種，以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池，單質(zhì)硫在地球中儲量豐富，具有價(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)。

鋰硫電池介紹

鋰硫電池是鋰電池的一種，以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。單質(zhì)硫在地球中儲量豐富，具有價(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達(dá)到1675mAh/g和2600Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰電池的容量（<150mAh/g）。并且硫是一種對環(huán)境友好的元素，對環(huán)境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰電池。

鋰硫電池以硫?yàn)檎龢O反應(yīng)物質(zhì)，以鋰為負(fù)極。放電時(shí)負(fù)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(fù)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(fù)極反應(yīng)逆向進(jìn)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(dāng)硫與鋰完全反應(yīng)生成硫化鋰（Li2S）時(shí)。相應(yīng)鋰硫電池的理論放電質(zhì)量比能量為2600Wh/kg。

下面我們再來看一下鋰硫電池的充放電表現(xiàn)：

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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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。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L(fēng)i2S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(qiáng)循環(huán)穩(wěn)定性，安全性。

鋰硫電池存在的問題

鋰硫電池存在的主要問題：鋰硫化合物溶于電解液；硫作為不導(dǎo)電的物質(zhì)，導(dǎo)電性非常差，不利于電池的高倍率性能；硫在充放電過程中，體積的擴(kuò)大縮小非常大，有可能導(dǎo)致電池?fù)p壞。

第一、單質(zhì)硫的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性差，硫材料在室溫下的電導(dǎo)率極低（5.0×10－30S·cm－1），反應(yīng)的最終產(chǎn)物L(fēng)i2S2和Li2S也是電子絕緣體，不利于電池的高倍率性能。

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

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第二、為鋰硫電池的中間放電產(chǎn)物會溶解到有機(jī)電解液中，增加電解液的黏度，降低離子導(dǎo)電性。多硫離子能在正負(fù)極之間遷移，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失和電能的浪費(fèi)。（Shuttle效應(yīng)）。溶解的多硫化物會跨越隔膜擴(kuò)散到負(fù)極，與負(fù)極反應(yīng)，破壞了負(fù)極的固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜）。

第三、鋰硫電池的最終放電產(chǎn)物L(fēng)i2Sn（n＝1～2）電子絕緣且不溶于電解液，沉積在導(dǎo)電骨架的表面；部分硫化鋰脫離導(dǎo)電骨架，無法通過可逆的充電過程反應(yīng)變成硫或者是高階的多硫化物，造成了容量的極大衰減。

第四、硫和硫化鋰的密度分別為2.07和1.66g·cm－3，在充放電過程中有高達(dá)79％的體積膨脹／收縮，這種膨脹會導(dǎo)致正極形貌和結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致硫與導(dǎo)電骨架的脫離，從而造成容量的衰減；這種體積效應(yīng)在紐扣電池下不顯著，但在大型電池中體積效應(yīng)會放大，會產(chǎn)生顯著的容量衰減，有可能導(dǎo)致電池的損壞，巨大的體積變化會破壞電極結(jié)構(gòu)。

第五、鋰硫電池使用金屬鋰作為負(fù)極，除了金屬鋰自身的高活性，金屬鋰負(fù)極在充放電過程會發(fā)生體積變化，并容易形成枝晶。

第六、鋰硫電池實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究開展較多，單位面積上硫載量一般都在3.0mg·cm－2以下，開展高負(fù)載量極片的研究對于獲得高性能鋰硫電池具有重要價(jià)值。