Šta je litijum-sumporna baterija?

Litijum-jonske baterije (LiCo02) su jednoelektronska deinterkalacija, dok su litijum-sumporne 8-elektronske redoks, pa litijum-sumporne baterije imaju teoriju da su 7-8 puta veći od kapaciteta litijum-jonskih baterija. Iako su polimerne litijumske baterije široko korištene u proizvodima od 3C, zbog ograničene gustine energije, odnosno ograničenog vijeka trajanja, treba ih često puniti, što je problematična stvar. Najintuitivniji je osjećaj da se nakon promjene pametnog telefona svi pune svaki dan, pa čak ni blago za punjenje ne napušta državu. Današnjem društvu je potreban novi tip litijum-jonske baterije s niskim troškovima, bez zagađenja, stabilnih performansi, velikog specifičnog kapaciteta i velike gustine energije kako bi se udovoljilo potrebama dužeg vijeka trajanja baterije i brže brzine punjenja.

Istorija razvoja litijum-sumpornih baterija: Litijum-jonske baterije imaju istoriju dužu od 30 godina, a litijum-sumporne baterije su mlađe. Herbet i Ulam su 1962. godine prvi put predložili upotrebu sumpora kao katodnog materijala i alkalnog perhlorata kao elektrolita.

Rani litijum-sumporni sistem 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 zaista otvorile poglavlje u razvoju.

Princip litijum-sumporne baterije: pozitivna elektroda litijum-sumporne baterije je sumpor ili materijal koji sadrži sumpor, a negativna elektroda je litijum. Prosječni napon je 2,1V. U teoriji, sistem litijum-sumpora (Li-S) ima specifični kapacitet od 1672mAh / g i gustinu energije od 2600Wh / kg. To je tradicionalna komercijalna litijum-jonska baterija sa LiCo02 kao pozitivnom elektrodom (teorijski specifični kapacitet 273,8mAh / g, gustina energije 360Wh / kg) oko 7 puta. U poređenju sa običnim litijum-jonskim baterijama, priroda pražnjenja litijum-sumpornih baterija nije jednostavna deinterkalacija litijum-jona, već redoks proces praćen velikim brojem međuprodukata. Tijekom procesa pražnjenja litij-sumporne baterije za pražnjenje, elementarni sumpor reagira s Li iz otvora prstena cikličkog S8, a pretvorbu iz dugolančanog Li2S8 u kratkolančani Li2S prate dvije očite platforme za pražnjenje, visoko potencijalno pražnjenje platforma je 2,45 V - 2,1 V, proces se može smatrati velikom količinom pretvorbe S8 u S42 konverzije, a pražnjenje s malim potencijalom 2,1 V-1,7 V, ovaj proces velika količina S42 u S22- i S2 -. S druge strane, različiti stepeni konverzije takođe 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 litijum-jonske baterije su jednoelektronska deinterkalacija, a litijum-sumporne su 8-elektronske redoks, pa imaju 7-8 puta veći teorijski kapacitet i gustinu energije. Slično tradicionalnim litijum-jonskim baterijama, litijum-sumporne baterije sastoje se od pozitivne elektrode, negativne elektrode, separatora, elektrolita i separatora. Stoga se litijum-sumporne baterije smatraju najobećavajućom alternativom tradicionalnim litijum-jonskim baterijama i postaju novi izvor energije za novu generaciju opreme za skladištenje energije.

Materijali sumporne katode ključni su faktor koji ograničava razvoj i primjenu litij-sumpornih baterija, pa se usredotočujemo na sumporne katode. Trenutno sumporna katoda litij-sumpornog sistema takođe ima nekoliko problema koje treba riješiti: efekt šatla, slaba vodljivost i zapreminsko širenje.

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

2. Provodljivost elementarnog sumpora i produkta pražnjenja litijum sulfida je niska, provodljivost S (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), provodljivost Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), što rezultira upotreba sumpora samo oko 50-70%.

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