Što je litij-sumporna baterija?

Litij-ionske baterije (LiCo02) su jednoelektronska deinterkalacija, dok su litij-sumporne 8-elektronske redoks, pa litij-sumporne baterije imaju teoriju da su 7-8 puta veći od kapaciteta litij-ionskih baterija. Iako su polimer-litijeve baterije široko korištene u proizvodima od 3C, zbog ograničene gustoće energije, odnosno ograničenog vijeka trajanja, potrebno ih je često puniti, što je problematična stvar. Najintuitivniji je osjećaj da se nakon promjene pametnog telefona svi svakodnevno pune, a čak ni blago za punjenje ne napušta državu. Današnjem društvu treba nova vrsta litij-ionskih baterija s niskim troškovima, bez onečišćenja, stabilnih performansi, velikog specifičnog kapaciteta i velike energetske gustoće kako bi udovoljila potrebama duljeg trajanja baterije i brže brzine punjenja.

Povijest razvoja litij-sumpornih baterija: Litij-ionske baterije imaju više od 30 godina povijesti, a litij-sumporne baterije su mlađe. 1962. Herbet i Ulam prvi su put predložili upotrebu sumpora kao katodnog materijala i alkalnog perklorata kao elektrolita.

Rani litij-sumporni sustav proučavan je kao primarna baterija, pa čak i neko vrijeme komercijaliziran, ali je kasnije zamijenjen punjivim baterijama i stavljen na čekanje. 2009. godine Linda F. Nazar predložila je litij-sumpornu sekundarnu punjivu bateriju na Nature Materials i koristila CMK-3 za postizanje visokog specifičnog kapaciteta od 1320mAh / g. Od tada su litij-sumporne baterije doista otvorile poglavlje u razvoju.

Princip litij-sumporne baterije: pozitivna elektroda litij-sumporne baterije je sumpor ili materijal koji sadrži sumpor, a negativna elektroda je litij. Prosječni napon je 2,1V. U teoriji, sustav litij-sumpor (Li-S) ima specifični kapacitet od 1672mAh / g i gustoću energije od 2600Wh / kg. To je tradicionalna komercijalna litij-ionska baterija s LiCo02 kao pozitivnom elektrodom (teorijski specifični kapacitet 273,8mAh / g, gustoća energije 360Wh / kg) oko 7 puta. U usporedbi s običnim litij-ionskim baterijama, priroda pražnjenja litij-sumpornih baterija nije jednostavna deinterkalacija litij-ionskih baterija, već redoks postupak praćen velikim brojem međuprodukata. Tijekom postupka pražnjenja litij-sumporne baterije za pražnjenje, elementarni sumpor reagira s Li iz otvora prstena cikličkog S8, a pretvorbu iz dugolančanog Li2S8 u kratkolančani Li2S popraćene su s dvije očite platforme za pražnjenje, visoko potencijalnim pražnjenjem platforma je 2,45 V - 2,1 V, proces se može smatrati velikom količinom pretvorbe S8 u S42 -, a pražnjenje s malim potencijalom 2,1 V - 1,7 V, ovaj proces je velika količina S42 - u S22 - i S2 -. S druge strane, različiti stupnjevi pretvorbe također odgovaraju različitim kapacitetima.

Jednadžba reakcije pražnjenja je sljedeća:

Pozitivna elektroda: S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

Negativna elektroda: Li → Li++e-

Ukupna reakcija: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Uobičajene litij-ionske baterije su jednoelektronska deinterkalacija, a litij-sumporne su 8-elektronske redoks, pa imaju 7-8 puta veći teoretski kapacitet i gustoću energije. Slično tradicionalnim litij-ionskim baterijama, litij-sumporne baterije sastoje se od pozitivne elektrode, negativne elektrode, separatora, elektrolita i separatora. Stoga se litij-sumporne baterije smatraju najperspektivnijom alternativom tradicionalnim litij-ionskim baterijama i postaju novi izvor energije za novu generaciju opreme za pohranu energije.

Materijali sumporne katode ključni su čimbenik koji ograničava razvoj i primjenu litij-sumpornih baterija, pa se usredotočujemo na sumporne katode. Trenutno sumporna katoda litij-sumpornog sustava također ima nekoliko problema koje treba riješiti: efekt shuttlea, slaba vodljivost i volumensko širenje.

1. Polisulfidi se otapaju tijekom postupka pražnjenja (Li2Sx, 3 x x 8), što rezultira složenom reakcijom disproporcije i&"efekt shuttlea GG", uzrokujući veliku količinu samopražnjenja, smanjujući Coulombovu učinkovitost i ciklus performanse i uzrokuje nepovratnu degradaciju kapaciteta;

2. Vodljivost elementarnog sumpora i produkta pražnjenja litijev sulfid je niska, vodljivost S (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), vodljivost Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), što rezultira iskorištavanje sumpora samo oko 50-70%.

3. Transformacija iz ortoromičnog α-S (ρ1=2,03 g / cm3) u Li2S s inverznom fluoritnom strukturom (ρ2=1,66 g / cm3) ima veliko volumensko širenje, uništava strukturu elektrode i utječe na stabilnost ciklusa.