O que é uma bateria de lítio-enxofre?

As baterias de íon-lítio (LiCo02) são de desintercalação de elétron único, enquanto as baterias de lítio-enxofre são redox de 8 elétrons, então as baterias de lítio-enxofre têm a teoria de que têm 7 a 8 vezes a capacidade das baterias de íon-lítio. Embora as baterias de polímero de lítio tenham sido amplamente utilizadas em produtos 3C, devido à densidade de energia limitada, ou seja, à vida útil limitada da bateria, elas precisam ser carregadas com frequência, o que é uma coisa problemática. A sensação mais intuitiva é que, depois de trocar o smartphone, todos estão cobrando todos os dias, e nem mesmo o tesouro que está carregando sai do estado. A sociedade de hoje precisa de um novo tipo de bateria de íon de lítio com baixo custo, sem poluição, desempenho estável, grande capacidade específica e alta densidade de energia para atender às necessidades de vida útil mais longa da bateria e velocidade de carregamento mais rápida.

História de desenvolvimento de bateria de lítio-enxofre: As baterias de íon-lítio têm uma história de mais de 30 anos, e as baterias de lítio-enxofre são mais jovens. Em 1962, Herbet e Ulam propuseram pela primeira vez o uso de enxofre como um material catódico e perclorato alcalino como eletrólito.

O primeiro sistema de lítio-enxofre foi estudado como uma bateria primária e até mesmo comercializado por um tempo, mas mais tarde foi substituído por baterias recarregáveis ​​e colocado em espera. Em 2009, Linda F. Nazar propôs uma bateria secundária recarregável de lítio-enxofre na Nature Materials e usou CMK-3 para atingir uma alta capacidade específica de 1320mAh / g. Desde então, as baterias de lítio-enxofre realmente abriram um capítulo em desenvolvimento.

O princípio da bateria de lítio-enxofre: o eletrodo positivo da bateria de lítio-enxofre é enxofre ou material contendo enxofre, e o eletrodo negativo é o lítio. A voltagem média é 2.1V. Em teoria, o sistema lítio-enxofre (Li-S) tem capacidade específica de 1672mAh / ge densidade de energia de 2600Wh / kg. É uma bateria de íon de lítio comercial tradicional com LiCo02 como eletrodo positivo (capacidade específica teórica 273,8mAh / g, densidade de energia 360Wh / kg) cerca de 7 vezes. Em comparação com as baterias de íon de lítio comuns, a natureza da descarga das baterias de lítio-enxofre não é a simples desintercalação de íons de lítio, mas um processo redox acompanhado por um grande número de produtos intermediários. Durante o processo de descarga da bateria de descarga de lítio-enxofre, o enxofre elementar reage com o Li a partir da abertura do anel do S8 cíclico, e a conversão de Li2S8 de cadeia longa para Li2S de cadeia curta é acompanhada por duas plataformas de descarga óbvias, a descarga de alto potencial plataforma é 2,45 V—- 2,1 V, o processo pode ser considerado uma grande quantidade de conversão de S8 para S42, e a descarga de baixo potencial é 2,1 V-1,7 V, este processo é uma grande quantidade de S42- em S22- e S2 -. Por outro lado, diferentes graus de conversão também correspondem a diferentes capacitâncias.

A equação de reação de descarga é a seguinte:

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

Eletrodo negativo: Li → Li++e-

Reação total: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

As baterias de íon de lítio comuns são de desintercalação de elétron único e as baterias de enxofre de lítio são redox de 8 elétrons, portanto, têm 7 a 8 vezes a capacidade teórica e densidade de energia. Semelhante às baterias de íon de lítio tradicionais, as baterias de lítio-enxofre consistem em um eletrodo positivo, um eletrodo negativo, um separador, um eletrólito e um separador. Portanto, as baterias de lítio-enxofre são consideradas a alternativa mais promissora às baterias de íons de lítio tradicionais e se tornam uma nova fonte de energia para uma nova geração de equipamentos de armazenamento de energia.

Os materiais do cátodo de enxofre são um fator chave que restringe o desenvolvimento e a aplicação de baterias de lítio-enxofre, por isso nos concentramos nos cátodos de enxofre. Atualmente, o cátodo de enxofre do sistema lítio-enxofre também tem vários problemas a serem resolvidos: efeito vaivém, baixa condutividade e expansão de volume.

1. Os polissulfetos se dissolvem durante o processo de descarga (Li2Sx, 3 ＜ x ＜ 8), resultando em uma reação de desproporção complexa e um efeito de transporte&GG, causando uma grande quantidade de autodescarga, reduzindo a eficiência e o ciclo de Coulomb desempenho, e causando degradação irreversível da capacidade;

2. A condutividade do enxofre elementar e o sulfeto de lítio do produto de descarga é baixa, a condutividade de S (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), a condutividade de Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), resultando em a utilização de enxofre apenas Cerca de 50-70%.

3. A transformação de α-S ortorrômbico (ρ1=2,03g / cm3) para Li2S com estrutura de fluorita inversa (ρ2=1,66g / cm3) tem grande expansão de volume, destrói a estrutura do eletrodo e afeta a estabilidade do ciclo.