鋰硫電池介紹

鋰硫電池不同于鋰離子電池、燃料電池、空氣電池之類的，它是正二八經的電池，和傳統電池原理最接近的電池，正極材料一般由硫和高導電性材料復合而成，這主要是因為硫本身不導電，如上圖中的黃點和黑點就是硫和碳的混合物，所以這就是說硫作為正極必須加導電劑，而且是高導電性的，這就降低了正極硫的能量密度（導電劑占了重量但不產生能量）；負極采用鋰片，這東西活性很高，作為負極沒話說，但用的時候注意安全，活性高往往意味這危險存在；然后是電解質主要是一些鋰鹽溶液，電解液不同與鋰離子電池常用的酯類物質，鋰硫一般用的都是醚類物質，這里也是一個很講究的地方，電解液與正極會接觸，那么就涉及到硫及其正極產物會不會直接溶解在這個里面，這就造成電池循環性能的下降；還有隔膜。

下面我們再來看一下鋰硫電池的充放電表現：

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，從這張圖還可以看到這個過程中存在很多的中間產物，Li2S8、Li2S6、Li2S4.。。這些中間產物往往就是礙事的，它們的存在給硫正極帶來很多的問題，如穿梭效應，溶解性的問題，而且最終的產物是電子絕緣體，這就降低了其反應的動力學速率，使電池的倍率性能下降，硫的密度比產物Li2S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，增強循環穩定性，安全性。順便提一下，在這個研究過程中，設備的損傷確實蠻大的，傷不起啊。

鋰硫電池的充放電原理

典型的鋰硫電池一般采用單質硫作為正極，金屬鋰片作為負極，它的反應機理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機理，而是電化學機理。

鋰硫電池以硫為正極反應物質，以鋰為負極。放電時負極反應為鋰失去電子變為鋰離子，正極反應為硫與鋰離子及電子反應生成硫化物，正極和負極反應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極反應逆向進行，即為充電過程。根據單位質量的單質硫完全變為S2-所能提供的電量可得出硫的理論放電質量比容量為1675mAh/g，同理可得出單質鋰的理論放電質量比容量為3860mAh/g。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當硫與鋰完全反應生成硫化鋰（Li2S）時。相應鋰硫電池的理論放電質量比能量為2600Wh/kg。

硫電極的充電和放電反應較復雜，截止2013年對硫電極在充電和放電反應中產生的中間產物還沒有明確的認識。鋰負極與硫正極的充放電反應如式（1-1）至式（1-4）所示，硫電極的放電過程主要包括兩個步驟，分別對應兩個放電平臺。式（1-2）對應S8的環狀結構變為Sn2-（3≤n≤7）離子的鏈狀結構，并與Li+結合生成Li2Sn，該反應在放電曲線上對應2.42.1V附近的放電平臺。式（1-3）對應Sn2-離子的鏈狀結構變為S2-和S22-并與Li+結合生成Li2S2和Li2S，該反應對應放電曲線中2.11.8V附近較長的放電平臺，該平臺是鋰硫電池的主要放電區域。YuanLixia等人研究了鋰硫電池中硫正極的電化學反應過程。他們認為放電時位于2.52.05V電位區間對應單質硫還原生成可溶的多硫化物及多硫化物的進一步還原，位于2.051.5V電位區間對應可溶的多硫化物還原生成硫化鋰固態膜，它覆蓋在導電碳基體表面。充電時，硫電極中Li2S和Li2S2被氧化S8和Sm2-（6≤m≤7），并不能完全氧化成S8，該充電反應在充電曲線中對應2.5~2.4V附近的充電平臺。

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