Funktionsprinzip des Ladens und Entladens von Lithium-Schwefel-Batterien

Einführung einer Lithium-Schwefel-Batterie

Lithium-Schwefel-Batterien unterscheiden sich von Lithium-Ionen-Batterien, Brennstoffzellen, Luftbatterien usw. Es handelt sich um eine Batterie mit dem engsten Prinzip und dem traditionellen Batterieprinzip. Das Kathodenmaterial besteht im Allgemeinen aus Schwefel und hochleitenden Materialien. Hauptsächlich weil Schwefel selbst nicht leitend ist, sind die gelben und schwarzen Punkte in der obigen Figur eine Mischung aus Schwefel und Kohlenstoff, was bedeutet, dass Schwefel als positive Elektrode mit einem leitenden Mittel versetzt werden muss und es hochleitend ist, was reduziert der Schwefel der positiven Elektrode. Energiedichte (leitfähiges Mittel macht das Gewicht aus, erzeugt aber keine Energie); Die negative Elektrode verwendet Lithiumflocken, die hochaktiv sind. Als negative Elektrode gibt es nichts zu sagen, aber achten Sie bei der Verwendung auf die Sicherheit. Hohe Aktivität bedeutet oft, dass diese Gefahr besteht; dann ist der Elektrolyt hauptsächlich einige Lithiumsalzlösungen, Elektrolyte und Ester, die üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, Lithium und Schwefel werden im Allgemeinen in Ethern verwendet, hier ist auch ein ganz besonderer Ort, an dem der Elektrolyt mit der positiven Elektrode in Kontakt kommt, dann geht es darum Schwefel und ob das positive Elektrodenprodukt direkt darin gelöst ist, was zu einer Abnahme der Batteriezyklusleistung führt; und ein Trennzeichen.

Betrachten wir die Lade- und Entladeleistung von Lithium-Schwefel-Batterien:

Aus der Entladekurve ergeben sich zwei Entladeplattformen für Lithium-Schwefel-Batterien. Die Hochspannungsplattform ist ungefähr 2,4 V und die Niederspannungsplattform ist ungefähr 2,1 V, aber die Kapazität ist sehr hoch, es ist leicht, 1000 + mAh / g. Sie können auch von diesem Bild sehen. In diesem Prozess gibt es viele Zwischenprodukte, Li2S8, Li2S6, Li2S4. . Diese Zwischenprodukte sind oft im Weg, ihre Anwesenheit bringt viele Probleme mit der schwefelpositiven Elektrode mit sich, wie zum Beispiel den Shuttle-Effekt, das Löslichkeitsproblem, und das Endprodukt ist ein elektronischer Isolator, der die kinetische Geschwindigkeit der Reaktion verringert und die Batterie herstellt Die Geschwindigkeitsleistung nimmt ab, die Schwefeldichte ist größer als das Produkt Li2S, dh Li2S ist flockiger als S, so dass das Volumen zwangsläufig erweitert wird, was ebenfalls ein unvermeidliches Problem darstellt.

Hier sollten wir in der Lage sein, die Probleme zu verstehen, die bei Lithium-Schwefel-Batterien auftreten. Die aktuelle Forschung konzentriert sich im Wesentlichen auf diese Themen, um eine hohe Energiedichte zu erreichen, den Gehalt an positivem S zu verbessern, die Zyklusstabilität und Sicherheit zu verbessern. Übrigens ist der Schaden an der Ausrüstung im Verlauf dieser Forschung sehr groß und kann nicht verletzt werden.

Funktionsprinzip des Ladens und Entladens von Lithium-Schwefel-Batterien

Eine typische Lithium-Schwefel-Batterie verwendet im Allgemeinen elementaren Schwefel als positive Elektrode und Lithium-Metallplatte als negative Elektrode. Der Reaktionsmechanismus unterscheidet sich vom Ionen-Deinterkalationsmechanismus der Lithium-Ionen-Batterie, jedoch vom elektrochemischen Mechanismus.

Lithium-Schwefel-Batterien verwenden Schwefel als positive Reaktionssubstanz und Lithium als negative Elektrode. Wenn die Entladung negativ ist, reagiert die negative Elektrode auf Lithium und das Elektron verliert, um Lithiumion zu werden. Die positive Elektrode reagiert mit Schwefel unter Bildung von Sulfid mit Lithiumionen und Elektronen. Die Potentialdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrode ist die Entladungsspannung, die von der Lithium-Schwefel-Batterie bereitgestellt wird. Unter Einwirkung der angelegten Spannung reagieren die positiven und negativen Elektroden der Lithium-Schwefel-Batterie umgekehrt, was der Ladevorgang ist. Entsprechend der Einheitsmasse des elementaren Schwefels, die vollständig auf die Elektrizitätsmenge geändert wurde, die von S2- geliefert werden kann, beträgt das theoretische Entladungsmassenverhältnis von Schwefel 1675 mAh / g. In ähnlicher Weise beträgt das theoretische Entladungsmassenverhältnis von elementarem Lithium 3860 mAh / g. Die theoretische Entladungsspannung einer Lithium-Schwefel-Batterie beträgt 2,287 V, wenn Schwefel vollständig mit Lithium unter Bildung von Lithiumsulfid (Li2S) umgesetzt wird. Die theoretische Entladungsmassenspezifische Energie der entsprechenden Lithium-Schwefel-Batterie beträgt 2600 Wh / kg.

Die Lade- und Entladereaktionen der Schwefelelektrode sind kompliziert, und ab 2013 gibt es kein klares Verständnis der Zwischenprodukte, die die Schwefelelektrode bei den Lade- und Entladereaktionen erzeugt. Die Ladungsentladungsreaktion der Lithiumnegativelektrode und der Schwefelpositivelektrode ist wie in der Formel (1-1) bis zur Formel (1-4) gezeigt, und der Entladungsprozess der Schwefelelektrode umfasst hauptsächlich zwei Schritte, die zwei entsprechen Entladeplattformen. Die Formel (1-2) entspricht der Kettenstruktur von Sn2- (3 ≤ n ≤ 7) -Ionen in der Ringstruktur von S8 und verbindet sich mit Li + zu Li2Sn, was einer Entladung nahe 2,4-2,1 V am entspricht Entladekurvenplattform. Die Kettenstruktur der Formel (1-3), die dem Sn2- Ion entspricht, wird zu S2- und S22- und verbindet sich mit Li +, um Li2S2 und Li2S zu bilden, was einer längeren Entladungsplattform nahe 2,1-1,8 V in der Entladungskurve entspricht , der Hauptentladungsbereich von Lithium-Schwefel-Batterien. YuanLixia et al. untersuchten den elektrochemischen Reaktionsprozess einer schwefelpositiven Elektrode in einer Lithium-Schwefel-Batterie. Sie glauben, dass der Potentialbereich von 2,5 bis 2,05 V während der Entladung der Reduktion von elementarem Schwefel zur Bildung von löslichem Polysulfid und Polysulfid entspricht und das Potentialintervall von 2,05 bis 1,5 V der Reduktion von löslichem Polysulfid zur Bildung eines festen Lithiumsulfidfilms entspricht. Es bedeckt die Oberfläche des leitfähigen Kohlenstoffsubstrats. Während des Ladens werden Li2S und Li2S2 in der Schwefelelektrode S8 und Sm2- (6 ≤ m ≤ 7) oxidiert und können nicht vollständig zu S8 oxidiert werden. Die Ladereaktion entspricht einer Ladeplattform nahe 2,5 ~ 2,4 V in der Ladekurve.

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