2016最新-锂硫电池最新研究进展
关于锂硫电池的研究
锂硫电池的研究什么是锂硫电池01锂硫电池是锂电池的一种，截止目前尚处于科研阶段。
锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。
单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。
利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675m Ah/g 和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容（<150mAh/g）。
工作原理02典型的锂硫电池一般采用单质硫作为正极，金属锂片作为负极，它的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。
锂硫电池以硫为正极反应物质，以锂为负极。
放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。
在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。
根据单位质量的单质硫完全变为S2-所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为1675 mAh/g，同理可得出单质锂的理论放电质量比容量为3860 mAh/g。
锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂（Li2S）时。
相应锂硫电池的理论放电质量比能量为2600 Wh/kg。
面临的困难03然而，如今的锂硫电池距离工业化、商业化仍需克服以下几个困难。
01单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低(5.0×10-30S·cm-1)，反应的最终产物Li2S2和Li2S 也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能。
02锂硫电池的中间放电产物会溶解到有机电解液中,增加电解液的黏度，降低离子导电性。
多硫离子能在正负极之间迁移，导致活性物质损失和电能的浪费。
（Shuttle效应）。
溶解的多硫化物会跨越隔膜扩散到负极,与负极反应,破坏了负极的固体电解质界面膜(SEI膜)。
03锂硫电池的最终放电产物Li2Sn(n=1~2)电子绝缘且不溶于电解液,沉积在导电骨架的表面;部分硫化锂脱离导电骨架,无法通过可逆的充电过程反应变成硫或者是高阶的多硫化物,造成了容量的极大衰减。
锂硫电池综述
高性能锂硫电池的研究进展摘要：目前传统的锂离子电池在电子产品中发挥着重要作用。
然而受到其较低的理论比容量的限制(约150～200Wh/kg)，锂离子电池将难以满足人类发展的长远需求，例如电动汽车行业的发展。
锂硫电池的理论能量密度为2600Wh/kg，是锂离子二次电池的3～5倍，是极具应用前景的电化学储能体系，近年来引起了研究人员的广泛关注。
人们提高电极导电性、维持电极结构稳定性、提高硫的负载率和利用率以及加强电池循环寿命等方面开展了大量的研究工作。
本文将就近几年锂硫电池的发展进行相关介绍和讨论。
关键词：锂硫电池正极材料纳米结构材料改性电解质电池结构Research progress in High-Performance Lithium-SulphurBatteriesRen Guodong(School of Metallurgy and Environment, Central South University，0507110402)Abstract：Lithium-ion batteries has played an important role in the electronics at present.But due to its low theoretical energy density ,which is only 150～200Wh/kg,therefore the lithium-ion batteries cannot meet the long-term needs of society in the future,just in the case of the development of electric vehicles.Lithium-sulphur battery is a promising electrochemical energy storage system which has high theoretical energy density of 2600Wh/kg,that is 3~5 times to lithium-ion battery.And it has arised more and more attentions recently.Great efforts have been made by reseachers to improve the conductivity of the electrode , the stability of electrode structure,the loading capicity of sulphur ,the utilization efficiency of sulfur in the cathode and the enhancement of cycle life of the battery．In this paper,the recent research of lithium-sulphur battery will be analyzed and discussed.Keywords：lithium-sulphur battery cathode material nano-structure modification electrolyte cell configuration1.前言电能储存技术和设备将会在未来社会发展中成为一项十分重要的需求。
高性能锂硫电池电解液的研究与展望
高性能锂硫电池电解液的研究与展望一、当前锂硫电池电解液的研究现状1. 传统电解液传统的锂硫电池电解液通常采用有机溶剂和锂盐组成的体系。
有机溶剂通常包括二甲基亚砜（DMSO）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）和乙烯碳酸二甲酯（EC）等。
锂盐则一般采用硫酸锂（Li2SO4）。
传统电解液的优点是在电池测试中取得比较高的比容量和循环寿命，但仍面临着溶液电导率低、锂枝晶生成、极耗、极化等问题。
2. 功能化电解液功能化电解液的研究是解决传统电解液存在问题的重要方向之一。
功能化电解液的设计思路通常是在传统电解液中添加聚合物、无机固体颗粒和添加剂等，以增强其溶液电导率、抑制锂枝晶生成、增强极耗和极化抑制等功能。
目前，功能化电解液已经取得了一定的研究进展，例如在电解液中添加聚合物增加锂盐的溶解度，提高电池比容量和循环寿命。
3. 高锂活性室温离子液体电解液高锂活性室温离子液体（HTFIL）是一种新型的电解液，具有非常高的锂离子活性和电导率。
HTFIL电解液在锂硫电池中的应用已经得到了广泛的研究，可以在一定程度上提高电池的循环寿命和能量密度，但是其价格较高、合成难度大、量产困难等问题仍待解决。
二、未来高性能锂硫电池电解液的展望分子设计电解液是未来锂硫电池电解液研究的重要方向之一。
通过有机溶剂和锂盐的分子结构设计，可以达到增强电解液电导率、抑制枝晶生成和提高循环寿命等目的。
在这方面，目前已有一些研究报道了一些新型有机溶剂及锂盐的设计，取得了一些进展，但是还远未达到商业应用的要求。
在功能化电解液方面，目前针对聚合物、固体颗粒和添加剂的选择和优化工作还有待深入研究。
未来应该着重解决添加剂浓度过高导致电池循环寿命下降的问题，兼顾电池的循环寿命和能量密度之间的平衡。
新型离子液体电解液是未来锂硫电池电解液的发展趋势之一。
新型离子液体电解液具有高电导率、较低的蒸汽压和较宽的电化学窗口等优点，适合用于锂硫电池。
新型离子液体电解液的价格高昂、合成难度大成为了制约其商业应用的主要障碍。
Li-S电池和Li-Air电池的研究进展
Li-S电池和Li-Air电池的研究进展锂离子电池已经改变了便携式电子产品，并且在交通电气化中扮演了非常重要的角色。
然而，锂离子电池的能量上限不足以满足当今社会的长远需求，例如扩展范围的电力汽车。
超越锂离子电池的限制是一个艰难的挑战，有几种选择。
这里，我们考虑两种：锂硫电池和锂空气电池。
储存在锂硫电池和锂空气电池中的能量不亚于锂离子电池。
科研工作者还正在研究这两种电池的作用机理，如果这两种电池被成功开发，那么一直困扰着人们的难题将会被解决。
在电池的反应机制以及新的材料方面的最新科学进展是非常关键的。
第一章锂硫电池[1]1.1背景锂离子电池(LIBs)，是最普遍的可交换能源之一，在20世纪90年代最初被使用到现在已经超过了20多年，在便携式设备中一直被广泛使用。
然而，LIBs已经达到其理论能量极限，因此不能满足当今电力汽车的大容量与长循环寿命的需求。
随着越来越迫切的需求以及强大的市场潜力，科研工作者们开始研究具有更高能量密度而且成本更低的可交换电池。
金属锂在所有金属中电负性很高而拥有最低的密度，所以有着最高的容量（3861 mAh/g）,而且它是所有的可交换电池负极材料中优先考虑的。
单质硫的理论容量是1673 mAh/g。
因此，在考虑锂硫完全反应的情况下，锂硫电池可以达到非常高的质量能量密度(2500Wh/kg)和体积能量密度(2800 Wh/L)。
而且由于地球上硫元素的储备非常丰富，该电池比LIBs的成本更低。
与LIBs相比，硫阴极可以保持在一个安全的电压范围（1.5-2.5V）。
另外，硫是无毒的。
毋庸置疑，锂硫电池的这些优势使其成为能源储备的一个非常好的选择，同时在绿色能源中也扮演了非常重要的角色，因此缓解了全球变暖而且减少了化石燃料的使用。
然而，锂硫电池的商业化收到了以下方面的阻碍。
例如硫元素的绝热特性以及多硫化物的溶解会导致硫的损失和电池容量的极速降低。
为了解决这些问题，人们努力把材料做成纳米维度和结构，纳米尺寸材料因其不易降解的特性成为解决上述问题的一种非常有效的手段。
锂硫电池产业化现状
锂硫电池产业化现状《锂硫电池产业化现状》近年来，能源领域的研究与创新不断取得突破，为可持续发展提供了新的机遇。
锂硫电池作为一种具有高能量密度和低成本的新型储能技术，备受关注。
本文将就锂硫电池产业化的现状进行探讨。
锂硫电池是一种以锂金属和硫作为正负极材料的二次电池。
其优势主要体现在高能量密度和低成本方面。
相较于传统的锂离子电池，锂硫电池的能量密度可提高至多2-3倍，使其在电动车、储能等领域有着广泛应用前景。
此外，硫的丰富性和低成本也使得锂硫电池具备极高的经济可行性。
然而，锂硫电池在产业化过程中仍面临一系列问题。
首先，硫的极性和不稳定性导致电极材料往往会发生溶解、析出等问题，降低了电池的循环寿命。
其次，锂硫电池的制造工艺复杂，一体化生产难度大，需要克服成本高、稳定性差等方面的难题。
再者，锂硫电池的安全性问题也需要解决，如易燃性和短路风险等，要求提高电池的可靠性和安全性。
为解决这些问题，全球各地的科研机构和企业正在加大研发和产业化的力度。
其中，一些重要的突破已经取得。
例如，多种导电性和化学稳定性更好的硫正极材料被开发出来，能够提高电池的稳定性和寿命。
同时，一些新型电解液和隔膜材料也由此诞生，提高了电池的能量效率和安全性。
在产业化方面，一些企业也在积极探索锂硫电池的商业应用。
目前，一部分电动汽车制造商已经开始使用锂硫电池作为动力源，尝试提升电动汽车的续航里程。
此外，储能领域对锂硫电池也表现出了极大的兴趣，因其高能量密度和低成本的特点。
然而，锂硫电池产业化仍处于起步阶段，需要进一步改善材料性能、制造工艺并推进标准化和规模化的生产。
总体来说，锂硫电池产业化的现状尚有待进一步提升。
当前，科研机构和企业正努力克服锂硫电池在循环寿命、安全性等方面存在的挑战，推动其在电动车、储能等领域的商业应用。
随着科技的不断进步和应用需求的增加，相信锂硫电池产业在未来将迎来更好的发展。
【参考文献】1. Armand M, Tarascon J-M. Building better batteries. Nature, 2008, 451(7179): 652-657.2. Manthiram A, Fu Y, Su Y-S. Challenges and prospects of lithium-sulfur batteries. Accounts of chemical research, 2013, 46(5): 1125-1134.。
锂硫电池的发展与应用前景
锂硫电池的发展与应用前景锂电池在移动物联网、智能家居、移动支付等领域中得到广泛应用。
而锂硫电池具有更高的能量密度、更低的成本、更环保的特点，被视为是锂电池的升级版。
锂硫电池的发展历程锂硫电池是一种由锂金属和硫化物构成的电池。
锂硫电池的历史可以追溯到20世纪70年代，当时科学家们就开始尝试制造锂硫电池。
但是由于锂金属和硫的反应不可避免地会产生副反应，一直无法实现商业化生产。
直到近年来，硫正极材料的改进、电解液的改良等技术问题得到了解决，才逐渐让锂硫电池走向商业化。
锂硫电池的特点1.高能量密度：以目前技术水平，锂硫电池的能量密度可达到400瓦时/千克，是目前商业化的锂离子电池能量密度的两倍以上。
2.低成本：与锂离子电池相比，锂硫电池所需的材料成本更低，工艺也更简单。
这使得锂硫电池在未来可能成为更廉价、更环保的选择。
3.环保：锂硫电池中不包含重金属，没有污染物的排放，是一种环保的能源存储设备。
同时，锂硫电池的废弃物可以回收利用。
锂硫电池的应用前景锂硫电池具有高性价比、高安全性、高能量密度、绿色环保等优点，因此受到了广泛的关注，其应用领域也在不断拓展。
总的来说，锂硫电池的应用前景非常广阔，具体如下：1.电动汽车：锂硫电池具有高能量密度和高安全性，特别适合用于电动汽车，能够提供更长的续航里程和更高的效率。
2.储能领域：随着可再生能源的发展，储能技术变得越来越受到关注。
锂硫电池在储能领域也有着广泛的应用前景。
比如，可以将锂硫电池应用于光伏发电、风能发电等能源存储方案。
3.电子产品：锂硫电池的高能量密度和低成本使它成为下一代电子设备的理想选择。
4.航空航天领域：锂硫电池具有高能量密度、轻量化、环保等特点，非常适合用于航空航天和卫星应用。
总之，锂硫电池作为一种高能量密度、低成本、环保的电池技术，具有广阔的发展前景和应用前景。
尽管锂硫电池在商业化生产和实际应用中仍存在一些问题，但其优点仍然让人们对其寄以厚望。
未来，随着技术的不断进步，锂硫电池必将逐步得到广泛应用。
电池研究的最新成果
电池研究的最新成果电池是我们日常生活中常见的物品，广泛应用于手机、电脑、车辆、储能设备等领域。
近年来，随着环保意识的增强，新型电池技术得到了广泛关注和研究。
本文将介绍电池研究的最新成果，包括新型材料、新型结构以及新型技术。
一、新型材料电池中的材料是影响其性能和寿命的关键因素。
最新研究表明，一些新型材料具有很大的潜力。
1.锂硫电池锂硫电池是一种新型电池技术，其可以提供更高的能量密度和更低的成本。
锂硫电池中使用的材料是由锂和硫组成的，锂是阳极材料，而硫则是阴极材料。
由于硫的密度很高，这使得锂硫电池的能量密度可以达到每千克400瓦时以上。
这种电池还可以使用一些廉价的材料而不是钴和镍，所以这种电池的成本更低，更环保。
2.氧化铁电池氧化铁电池是一种新型电池技术，其使用的材料是由铁和氧化物组成的。
氧化铁电池的优点是其使用的材料便宜且环保，而且其在充电和放电过程中的效率非常高。
虽然相比于锂离子电池来说，氧化铁电池的能量密度较低，但其在某些应用场合下，如储能，其却是一个比较理想的选择。
3.硅负极材料硅材料是一种有潜力的电池负极材料，其比锂离子电池目前使用的碳材料具有更高的能量密度。
由于硅的传导性较差，在充电和放电循环中，硅会经历膨胀和收缩，这可能导致其结构的破坏，从而减少其使用寿命。
目前，有一些研究正在进行当中，旨在开发一种可以使用硅负极材料的新型电池技术。
二、新型结构电池的设计结构也是影响其性能和寿命的关键因素。
目前，一些新型电池结构被开发出来，以进一步提高电池的性能和寿命。
1.立体电池立体电池是一种新型电池结构，其可以将电池的体积缩小到最小，从而提高其能量密度和使用寿命。
在立体电池中，阳极和阴极是以多个层叠的方式分别排列在一个电解质材料中。
这使得立体电池的能量密度可以达到每千克700瓦时以上。
2.固态电池固态电池是一种新型电池结构，其使用的电解质材料是固态材料而非液态电解质材料。
这种结构可以大大提高电池的安全性和使用寿命，因为其不会像液态电解质一样引发漏液或者起火爆炸的问题。
全固态锂硫电池综述
全固态锂硫电池综述
全固态锂硫电池是一种新型的高能量密度电池，具有广阔的应用前景。
本文综述了全固态锂硫电池的研究进展和挑战。
全固态锂硫电池由固态电解质、锂金属阳极和硫正极组成。
与传统液体电解质锂硫电池相比，全固态锂硫电池具有更高的能量密度、更长的循环寿命和更好的安全性能。
目前，全固态锂硫电池的电解质主要包括固态聚合物电解质和固态氧化物电解质。
固态聚合物电解质具有良好的离子导电性和机械强度，但在高温下容易熔化。
固态氧化物电解质具有较高的离子导电性和化学稳定性，但制备成本较高。
全固态锂硫电池的硫正极材料主要包括硫化物、硫化合物和硫/碳复合物。
硫化物和硫化合物具有较高的硫质量比，但容易析出多硫化物并导致电池失活。
硫/碳复合物具有良好的电化学性能和稳定性。
全固态锂硫电池面临一些挑战。
首先，全固态电解质的热稳定性和机械强度需要进一步提高。
其次，锂金属阳极的表面稳定性需要改善，以防止金属锂的表面反应和析出。
同时，硫正极材料的小颗粒尺寸和高活性也需要解决。
总之，全固态锂硫电池具有巨大的潜力，但还需要进一步的研究和开发，以解决其面临的挑战，并实现商业化应用。
锂硫电池前景
锂硫电池前景
锂硫电池是一种新型的高能量密度电池，具备较高的储能能力和长寿命，被广泛研究和应用于电动汽车、储能系统和便携式电子设备等领域。
锂硫电池的前景光明，主要有以下几个方面的原因。
首先，锂硫电池具有更高的能量密度。
相比于传统的锂离子电池和镍氢电池，锂硫电池的单位容量能量更高，可以提供更长的使用时间。
这使得锂硫电池在电动汽车领域具备巨大的潜力，能够带来更远的续航里程，提升电动汽车的竞争力。
其次，锂硫电池具有更低的成本。
锂硫电池的主要材料是硫和锂，相对于锂离子电池的钴和镍，硫的价格较低廉。
此外，锂硫电池不需要贵重金属，而是采用廉价的多孔隔膜材料。
这些特点使得锂硫电池的生产成本相对较低，具备更广阔的市场前景。
再次，锂硫电池具有更长的寿命。
锂硫电池具有更高的循环寿命和更好的抗击穿性能，因此可以更持久地使用。
相比于传统的锂离子电池，在相同的循环次数下，锂硫电池的容量衰减更小。
这使得锂硫电池在储能系统和便携式电子设备等领域具备更长的使用寿命，降低了使用成本。
最后，锂硫电池具有更好的环境友好性。
由于锂和硫都是地球上丰富的元素，制造锂硫电池的过程对环境的影响较小。
此外，锂硫电池不需含有有毒的重金属，其回收过程也相对较简单。
这使得锂硫电池在可持续发展的背景下，成为一种理想的能源
储存解决方案。
综上所述，锂硫电池具备高能量密度、低成本、长寿命和环境友好的优势，具有广阔的市场前景。
随着科技的进步和工程实践的积累，锂硫电池有望在电动汽车、储能系统和便携式电子设备等领域得到广泛应用。
锂硫电池的优点与挑战及其在动力电池中的发展前景分析
锂硫电池的优点与挑战及其在动力电池中的发展前景分析近年来，电动汽车的快速发展使得动力电池技术日益受到关注。
作为一种新型二次电池，锂硫电池因其高能量密度和环境友好性备受瞩目。
本文将探讨锂硫电池的优点和挑战，并分析其在动力电池领域的发展前景。
1. 锂硫电池的优点1.1 高能量密度：锂硫电池相比传统的锂离子电池，具有更高的能量密度，可以实现更远的行驶里程，从而满足电动汽车对续航里程的需求。
1.2 环境友好：锂硫电池使用的是非常广泛的元素，锂和硫，相比其他动力电池，如镍氢电池和镍镉电池，锂硫电池的制造和回收过程更加环保。
1.3 成本效益：由于锂硫电池使用的是相对较为廉价的原材料，并且制造过程相对简单，因此锂硫电池在成本方面具有优势，可以降低电动汽车的制造成本。
2. 锂硫电池的挑战2.1 低循环寿命：锂硫电池在充放电过程中会出现锂枝晶的生长，导致电池内部结构损坏，从而降低循环寿命。
这是锂硫电池目前面临的主要挑战之一。
2.2 容量衰减：由于锂硫电池内部的化学反应机制，电池在使用一段时间后容量会逐渐下降，限制了其在动力电池领域的应用范围。
2.3 安全性问题：锂硫电池在一些情况下可能会发生热失控、起火等安全问题，这也是需要解决的关键挑战。
3. 锂硫电池在动力电池中的发展前景3.1 技术改进：随着科技的进步，锂硫电池的制造工艺和材料的改进将有助于克服其目前面临的挑战。
例如，采用新的电解质、改变电池结构和加强界面稳定性等都是提高锂硫电池性能的关键研究方向。
3.2 市场需求：电动汽车市场的扩大将对动力电池提出更高的要求，包括更长的续航里程、更快的充电速度和更高的安全性能。
锂硫电池作为一种具有潜力的技术，在满足这些需求方面有广阔的市场前景。
3.3 国家政策支持：各国对于环保能源的需求不断增加，政府对于新能源汽车的推广给予了大力支持。
因此，锂硫电池在动力电池领域的应用前景非常乐观。
综上所述，锂硫电池作为一种新兴的动力电池技术，具有高能量密度、环境友好和较低的制造成本等优点。
锂硫电池目前存在的问题及改进方法
锂硫电池目前存在的问题及改进方法锂硫电池的研究始于20世纪70年代，是一种由硫（S）复合正极、金属锂(Li)负极和两者之间的电解质组成的储能体系电池，相比钠离子电池，镁离子电池，铝离子电池，锌离子电池等新型二次电池体系来说，锂硫电池拥有高能量密度——2600 Wh/kg、宽的工作温度—— -30 至60 ℃，低电极材料成本，对环境污染较少，被认为是最有前途的新型二次电池体系。
其发展过程可以分为以下三个阶段：1.如何让锂硫电池变得可充电：1970—2002这一阶段，如何让锂硫电池变得可充电，其本质是寻找合适电解质，让锂离子和多硫化锂能够可逆转变，实现了电池从一次电池到二次电池的转变。
但是效果很不理想，充电只有10来次左右。
2.如何提升锂硫电池正极：2002—2014锂硫电池通过纳米碳硫复合正极和硝酸锂添加剂使得电池从最初只有几次循环寿命到上千次的循环寿命，但是致命的问题就是负极锂枝晶和死锂的形成。
3.如何保护锂硫电池负极：2014—至今如何防止锂枝晶和死锂的形成，保护锂硫负极一直是目前的研究重点。
目前在不断的研究过程中，锂硫电池主要存在以下几个方面的缺陷，总结一些改进的方法。
一．穿梭效应放电过程中的长链中间产物Li2Sn（n为4≤n≤8）易溶解在有机电解液中，导致活性物质硫的减少。
在正极溶解的长链Li2Sn穿过隔膜到负极与金属锂反应，被还原成短链的Li2Sn（n为1≤n<4）；而充电时，负极的短链Li2Sn又会穿过隔膜回到正极，被氧化成长链的Li2Sn。
这个过程就是锂硫电池的“穿梭效应”。
“穿梭效应”可导致锂硫电池中活性物质损失，金属锂负极被腐蚀，造成库仑效率低和循环寿命短等问题。
改进方法：1.对电池隔膜进行改性1）有研究者制造出了Mo S涂层的隔膜，在一定程度上良好的润湿性，可以实2现锂离子快速扩散，另外该新型隔膜还具有良好的化学吸附性能。
在一定程度上减少了穿梭效应，提高了电池的循环寿命。
锂硫电池正极材料的研究进展
锂硫电池正极材料的研究进展摘要：锂硫电池具有高达2600 Wh▪kg-1的理论比能量以及1672 mAh▪g-1的理论比容量，远大于现阶段使用的商业化二次电池，被越来越多人所关注。
本文主要介绍了锂硫电池正极材料的研究进展，从结构调控型碳/硫复合正极材料、非金属元素表面修饰碳/硫复合正极材料、非碳添加剂/硫复合正极材料这三个方面进行说明，以此来突破锂硫电池目前所存在的问题。
关键词：锂硫电池；正极材料锂硫电池由单质硫正极、电解液、隔膜和金属锂负极构成。
反应机理为电化学机理，以硫为正极反应物质，以锂为负极。
在构成锂硫电池的四个部分中，正极具有极为重要的作用。
因此，大量的研究者都希望通过对正极材料的设计来攻克锂硫电池目前主要存在的单质硫导电性差、充放电产物绝缘、中间产物具有穿梭效应与活性物质的体积膨胀等本征问题，从而实现锂硫电池的商业化生产。
依照不同的设计角度，正极材料大体分为以下几类：1.结构调控型碳/硫复合正极材料碳材料广泛存在于自然界中，具有稳定的理化性质。
碳材料的引入可以显著提高正极材料的导电性，并有效缓冲活性物质的体积膨胀，避免了充放电过程中正极电极结构的粉化与脱落。
（1）多孔碳多孔碳是以碳质材料为结构基元组成的具有多孔结构的功能材料。
根据碳材料孔径分布，可以将其分为微孔（孔径小于2 nm）、介孔（孔径在2~50 nm 之间）、大孔（孔径大于50 nm）、和分级孔（具有多种孔道结构）碳材料。
其高孔隙率和高比表面积有利于硫的储存和均匀分布，并且多孔结构对多硫化物溶解和扩散具有抑制作用，有效减缓了“穿梭效应”，提高了电池的电化学性能和稳定性[1]。
（2）分级多孔碳微孔碳具有较高的比表面积，能确保单质硫在导电骨架中的分散和接触，同时其强物理吸附能力可以有效抑制“穿梭效应”。
但是微孔难以负载大量的活性物质，限制了电池整体的能量密度。
介孔碳较微孔碳具有更高的硫负载量，并能有效地缓解充放电过程中的体积膨胀。
锂硫电池中硫化物电解质的设计及性能优化研究
锂硫电池中硫化物电解质的设计及性能优化研究锂硫电池是一种发展速度非常迅猛的新型电池，具有较高的能量密度、较低的成本和较高的可循环性能，已经成为了下一代大容量电池的重要候选。
其中，硫化物电解质是锂硫电池的关键部分之一，它直接影响着电池的性能和循环寿命。
因此，设计和优化硫化物电解质成为了锂硫电池研究中的重要课题。
一、硫化物电解质的意义锂硫电池是以硫为正极活性材料的电池，硫在电解液中被氧化成 Li2S，反应机制如下：S + 2Li+ + 2e- → Li2S其中，Li2S是一种硫化物，因此硫化物电解质在这种电池中起着至关重要的作用。
硫化物电解质在锂硫电池中作为自由电子的载体，不仅保证了电池的良好导电性和电化学反应的进行，还能够防止锂枝晶的生成，使得电池具有更好的性能和循环寿命。
二、硫化物电解质的设计原则设计合理的硫化物电解质能够大大提高锂硫电池的性能和循环寿命。
目前，硫化物电解质一般采用有机溶剂或者离子液体作为溶质，其中有机溶剂常见的有二甲基亚砜（DMSO）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、硫醚等，离子液体则具有导电性好、化学稳定性强等优点。
不同种类的硫化物电解质具有不同的性能和适用范围，因此设计合理的硫化物电解质需要考虑以下几个方面：1、导电性能：硫化物电解质应具有较高的离子导电性能和电荷传递性能，使得电池在工作过程中具有较好的电化学反应性能。
2、化学稳定性：硫化物电解质应具有良好的化学稳定性，能够承受较高的电压和反应过程中产生的化学物质，从而保证电池长期稳定运行。
3、储锂性能：硫化物电解质应能够与锂离子充分结合，并且在充放电过程中不发生溶解或者析出反应，从而使得电池具有更好的储锂性能和稳定性。
4、倒灌现象：硫化物电解质应能够防止倒灌现象的发生，即电池充电结束后，电解质内部硫化物溶液向负极扩散，导致电池短路或者其他故障的产生。
以上几个方面是设计硫化物电解质时需要考虑的关键因素，不同种类的硫化物电解质在这些方面都具有不同的性能和特点，需要选择合适的硫化物电解质进行研究和优化。
锂_硫电池的研究现状_问题及挑战
第28卷 第11期 无 机 材 料 学 报Vol. 28No. 112013年11月Journal of Inorganic Materials Nov., 2013收稿日期: 2013-08-07; 收到修改稿日期: 2013-08-17基金项目: 国家自然科学基金 (51072083); 国家863计划(2011AA11A256)National Natural Science Foundation of China (51072083); 863 Program (2011AA11A256)作者简介: 胡菁菁(1988−), 女, 博士研究生. E-mail: hujingjing@ 文章编号: 1000-324X(2013)11-1181-06 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2013.13387锂/硫电池的研究现状、问题及挑战胡菁菁, 李国然, 高学平(南开大学 新能源材料化学研究所, 天津300071)摘 要: 锂/硫电池是以金属锂为负极、单质硫为正极而构筑的二次电池体系。
锂/硫电池具有高的理论能量密度 (2600 Wh/kg), 成为最具发展潜力的高能化学电源体系。
但这种基于溶解−沉积反应的锂/硫电池体系仍面临一些无法避免的问题, 包括金属锂负极的显著结构变化、硫正极材料存在的活性物质利用率低和循环性能差等缺点, 制约了锂/硫电池的发展。
本文结合近年来关于锂/硫电池的突破进展, 简要阐述了锂/硫电池的研究现状、问题及面临的挑战。
关 键 词: 锂硫电池; 硫; 锂; 电解液; 复合材料; 综述 中图分类号: O646 文献标识码: ACurrent Status, Problems and Challenges in Lithium-sulfur BatteriesHU Jing-Jing, LI Guo-Ran, GAO Xue-Ping(Institute of New Energy Material Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, China)Abstract: Lithium-sulfur battery, fabricated with metal lithium as anode and sulfur as cathode, has received moreattention as the most promising high energy power sources due to its high theoretical energy density (2600 Wh/kg). However, there are some serious and unavoidable problems for lithium-sulfur battery based on the dissolu-tion-deposition processes in organic electrolyte, including serious structure change of metallic lithium anode, the lower utilization and poor cycle performance of active materials, which become a big barrier for the research and development of lithium-sulfur battery. The current status, problems and challenges of lithium-sulfur battery are summarized, including the sulfur-based cathode composites, electrolyte and lithium anode.Key words: lithium-sulfur battery; sulfur; lithium; electrolyte; composite; review面对新能源技术的飞速发展, 特别是随着智能通讯和电动汽车领域的潜在市场需求, 发展具有更高能量密度的二次电池体系的任务十分迫切。
锂硫电池材料的电化学反应机制分析
锂硫电池材料的电化学反应机制分析锂硫电池是一种新型的高能量密度电池，能够提供比传统锂离子电池更高的能量储存能力。
锂硫电池的正极材料是硫，负极材料是锂，其中的电化学反应机制是锂离子从负极移动到正极，与硫发生化学反应，形成锂硫化物。
本文将对锂硫电池材料的电化学反应机制进行分析。
锂硫电池的反应机制主要包括两个过程，即硫在正极的嵌入/脱嵌反应，和锂离子在负极的嵌入/脱嵌反应。
首先，当锂硫电池放电时，锂离子从负极通过电解质移动到正极。
在这个过程中，锂离子与硫反应生成锂硫化物。
这个反应是可逆的，即在充电时锂硫化物会分解，释放出锂离子回到负极。
具体来说，锂硫电池的正极是由硫组成的，负极是由锂金属或锂合金组成的。
在放电过程中，锂离子从负极通过电解质移动到正极，同时硫被氧化生成硫酸根离子。
这个过程是一个漫反射过程，需要通过外部电路流动的电子来完成。
在正极，硫酸根离子接受锂离子并发生还原反应，生成锂硫化物。
锂硫化物的生成可以形成多个阶段，其中锂多硫化物是最重要的一个阶段。
锂多硫化物的生成会伴随着体积膨胀和容量衰减。
在充电过程中，锂硫电池的反应机制与放电相反。
通过外部电源施加电压，将锂离子从正极嵌入到负极，同时硫从正极脱嵌出来，形成硫酸根离子。
这个过程同样需要通过外部电路流动的电子来完成。
负极上锂的嵌入/脱嵌反应是可逆的，且容量衰减较小。
锂硫电池的电化学反应机制是一个复杂的过程，其中涉及到多种化学物质之间的相互作用。
在实际应用中，锂硫电池面临着一些问题，例如容量衰减、自放电和安全性等。
容量衰减主要是由于锂多硫化物的生成和溶解引起的，而自放电主要是由于锂硫电池内部反应的副产物导致的。
这些问题限制了锂硫电池的应用范围。
为了解决这些问题，研究人员开展了大量的研究工作。
一方面，通过改变电解质的组成和性质，可以改善锂硫电池的循环性能。
另一方面，可以使用导电添加剂和包覆材料等方法来限制锂硫化物的产生和溶解，从而提高锂硫电池的循环稳定性。
硫作为添加剂在锂电池中的应用
硫作为添加剂在锂电池中的应用《硫作为添加剂在锂电池中的应用》在当今世界中，锂电池已经成为了一种主要的能源存储装置。
它们广泛应用于电动汽车、便携电子设备等各个领域。
随着科学技术的不断进步，人们对于锂电池的性能提升有了旺盛的需求。
其中，硫作为一种添加剂，在锂电池中的应用变得越来越受到关注。
硫具有很高的比容量和能量密度，这使得它成为一种非常有潜力的电池材料。
然而，硫在锂电池中的应用面临一些问题，比如其在充放电过程中容易发生极化现象、容量衰减快等。
为了解决这些问题，科学家们开始研究硫的添加剂在锂电池中的应用。
首先，硫可以作为锂硫电池中的活性材料，取代传统的锂金属。
锂硫电池以硫为正极、锂为负极，通过充放电过程中锂离子的迁移来储存和释放能量。
硫具有丰富的能量密度和低成本，可以大大提高锂硫电池的能量储存能力。
通过添加合适的硫含量，可以有效减少极化现象，提高锂硫电池的电化学性能和循环寿命。
其次，硫还可以作为导电助剂添加到锂离子电池的电解液中。
由于硫的导电性较差，电解液中加入硫可以提供额外的导电通道，从而增加锂离子的传输速率。
这种添加剂可以提高锂电池的功率密度和循环寿命，同时降低电池的过电位和内阻。
此外，硫还可以作为锂电池中的填充剂，用于改善锂电池的结构和性能。
硫具有较高的比容量和极高的充放电反应活性，可以提供更多储存锂离子的空间，从而增加锂电池的能量密度和容量。
硫可以与锂离子形成稳定的化合物，改善电池的循环寿命和稳定性。
总之，硫作为添加剂在锂电池中的应用有着巨大的潜力。
它可以作为活性材料用于锂硫电池，作为导电助剂用于锂离子电池的电解液，还可以作为填充剂用于改善锂电池的结构和性能。
随着科学技术的不断发展，相信硫在锂电池中的应用将会有更多突破和创新，为锂电池的性能提升带来新的可能性。
锂硫电池锂负极保护策略及研究进展
锂硫电池锂负极保护策略及研究进展■ 文/王恺雯 杨 坤 唐 琼 李 璐 张逸潇 合肥工业大学电子科学与应用物理学院锂硫电池作为一种新型储能体系，具有高比容量（1675mAh/g）、高能量密度（2500Wh/kg）以及原材料价格低廉、对环境友好等优势，研究其在电动汽车、无人机、便携式电子设备和智能电网等领域的应用具有重要意义。
但锂硫电池的产业化道路仍面临重重阻碍,硫及其还原产物的绝缘性、多硫化物的穿梭效应和锂枝晶等严重影响了电池的性能。
研究人员一直以来致力于解决硫的分散和中间反应物的穿梭，并已取得良好成效，但锂金属负极存在的问题仍限制了锂硫电池的长循环寿命。
近年来，研究人员对锂负极的保护日益重视，并进行了积极广泛的探索，使锂硫电池的商业化应用又向前迈进了一步。
1 锂负极面临的问题锂是最轻的碱金属元素,也是电势最低的电极材料，相对于标准氢电极，锂的电势为-3.04V,具有极强的还原性,几乎可与所有的电解液发生反应。
锂在电极表面的生长受锂核与电极基底结合力的影响，可分为2种模式，一种是表面式生长，另一种是根植式生长[1]。
当锂与基底结合力较强时，发生表面式生长，即与电解液发生歧化反应生成电解质界面膜层（S E I），S E I层于1970年首先被发现[2]，并于1979年被正式命名[3]。
S E I层对离子导电，对电子绝缘，因其生长不均匀，不能充分钝化负极表面，导致锂持续与电解液发生反应，不仅消耗电解液，而且降低电池的库伦效率，并且较厚的S E I层阻碍了离子的扩散和迁移。
当锂与基底结合力较弱时，发生根植式生长，锂负极生成树枝状的锂枝晶。
锂枝晶的生长会使S E I层破裂，进一步消耗电解液和锂负极，枝晶生长过长还将刺破隔膜，造成电池短路，而枝晶若从基底脱落，便成为“死锂”，降低电池循环效率。
此外，锂在沉积和剥离的过程中经历大幅度的体积变化，会引发安全问题。
目前，已有很多工作被报道从不同方面来解决上述这些问题。
高铅酸盐在锂硫电池中的应用研究
高铅酸盐在锂硫电池中的应用研究引言：锂硫电池作为一种潜力巨大的新型高能量储能装置，具有高能量密度、低成本和环保等优势。
然而，锂硫电池在实际应用中还面临一些挑战，如极低的导电性、硫化锂产物的溶解和锂架构损坏等问题。
为了解决这些问题，研究人员开始探索新型的电池材料和技术。
在这方面，高铅酸盐作为一种具有良好导电性和储锂性能的材料，引起了学术界的广泛关注。
本文将详细介绍高铅酸盐在锂硫电池中的应用研究进展。
一、高铅酸盐的特性高铅酸盐（PbSO4）是一种晶体结构稳定、导电性良好的化合物，可在锂硫电池中发挥多种作用。
首先，高铅酸盐具有高负极容量和循环稳定性，能够稳定嵌入/脱嵌锂离子，增加电池的供能性能。
其次，高铅酸盐还能够捕捉锂硫电池中产生的多余锂离子，阻止锂架构的损坏和“穿梭效应”，从而提高电池的循环寿命。
此外，高铅酸盐还能够促进锂硫电池中硫化锂的沉积，减少溶解和“极化效应”，提高电池的能量密度。
二、高铅酸盐的制备方法在锂硫电池中使用高铅酸盐，需要通过合适的制备方法来获得高质量的材料。
当前常用的制备方法包括溶液法合成、电化学沉积法、湿化学法等。
其中，溶液法合成是最常见的方法。
通过在水溶液中加入铅盐和硫酸盐，并加热搅拌反应，可以得到高纯度的高铅酸盐粉体。
此外，还可以通过调节反应条件和添加适当的表面活性剂来控制高铅酸盐的粒径和形貌，以优化其在锂硫电池中的应用性能。
三、高铅酸盐在锂硫电池中的应用研究进展1. 高铅酸盐作为锂硫电池正极材料研究人员发现，将高铅酸盐作为锂硫电池的正极材料，能够改善电池的电化学性能。
高铅酸盐可以与硫的反应产生对于锂离子导电性更好的PbS，进而促进电池中锂离子的传输和嵌入/脱嵌过程。
此外，高铅酸盐的导电性还能够提高电池的电导率，降低内阻，提高电池的充放电效率。
2. 高铅酸盐作为锂硫电池负极添加剂另一方面，研究表明，将高铅酸盐作为锂硫电池的负极添加剂，能够有效地捕获硫化物离子和多余锂离子，减轻锂架构的损坏和“穿梭效应”。
高比能锂硫电池功能电解质材料
高比能锂硫电池功能电解质材料王丽莉;叶玉胜;钱骥;李丽;吴锋;陈人杰【摘要】锂硫电池具有能量密度高、单质硫来源广泛和环境友好等优势,是新型二次电池未来发展的方向之一.作为锂硫电池中的重要组成部分,功能电解质材料的物性特征与电池的整体性能密切相关.在当前电解质材料的研究中,还存在许多关键技术难题,如多硫化物溶解于锂硫电池电解质中所引起的穿梭效应,会导致锂硫电池库仑效率低、容量衰减快和自放电严重等问题.本文综述了面向锂硫电池应用的新型功能电解质材料的研究进展:①有机液体电解质中有机溶剂组分、锂盐和添加剂的优化改性对锂硫电池性能的影响;②离子液体电解质对多硫化物扩散的阻碍作用;③固态/半固态电解质对穿梭效应的抑制,并展望了锂硫电池用功能电解质材料的未来发展方向.【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2017(006)003【总页数】13页(P451-463)【关键词】锂硫电池;有机液体电解质;离子液体;固态电解质;半固态电解质【作者】王丽莉;叶玉胜;钱骥;李丽;吴锋;陈人杰【作者单位】北京理工大学材料学院,北京100081;北京理工大学材料学院,北京100081;北京理工大学材料学院,北京100081;北京理工大学材料学院,北京100081;北京电动车辆协同创新中心,北京100081;北京理工大学材料学院,北京100081;北京电动车辆协同创新中心,北京100081;北京理工大学材料学院,北京100081;北京电动车辆协同创新中心,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TM911锂硫电池[1]因其具有高能量密度的优点成为新一代高比能锂二次电池研究的热点。
其具有特殊的电化学工作原理[2]：在锂硫电池放电过程中，单质硫S8在电解液中逐渐与锂反应，生成可溶性多硫化物；随着还原反应的进一步进行，可溶性的多硫化物最后转化为Li2S2和Li2S。
放电过程主要包括两个步骤，分别对应两个放电平台：2.4～2.1 V的高放电平台对应环状的S8还原生成长链多硫产物（4≤n≤8）；2.1～1.8 V的低放电平台对应长链多硫产物进一步还原成短链多硫化物，并最终转化为Li2S2和Li2S；其中，第二个平台是锂硫电池的主要放电区域，理论上该平台的放电容量约占所有放电容量的3/4。
锂硫电池应用场景
锂硫电池应用场景介绍锂硫电池是一种新型的二次电池，其具有高能量密度、高电压平台、低成本和环保等优势。
近年来，随着电动汽车和可再生能源的快速发展，锂硫电池作为一种有望替代锂离子电池的新型电池技术，受到了广泛关注。
本文将详细探讨锂硫电池的应用场景。
电动汽车1. 高能量密度锂硫电池相比锂离子电池具有更高的能量密度，可以为电动汽车提供更长的续航里程。
锂硫电池的理论能量密度可以达到3500Wh/kg，是锂离子电池的3倍以上。
2. 低成本锂硫电池的成本相对较低，主要因为其正极材料硫的价格相对较低，并且硫是一种丰富的资源。
同时，锂硫电池的制造工艺相对简单，也可以降低成本。
3. 环保锂硫电池的主要材料锂和硫都是可再生的资源，相比锂离子电池的材料成分更加环保。
锂硫电池没有重金属污染，对环境影响较小。
储能系统1. 高能量密度对于储能系统来说，高能量密度是一项重要的指标。
锂硫电池具有高能量密度的优势，可以在有限的空间内提供更多的能量存储。
2. 长寿命锂硫电池具有较长的寿命，可以进行数千次的充放电循环。
这使得它成为长期稳定供电的理想选择。
3. 抗自放电锂硫电池的自放电率较低，不容易出现能量损失。
这对于需要长期存储的储能系统非常重要。
4. 快速充放电锂硫电池具有较高的充放电速率，可以在短时间内完成充放电过程。
这对于应对紧急情况或高能量需求的场景非常有优势。
无人机1. 轻量化无人机对电池的重量要求较高，需要兼顾飞行时间和载重能力。
锂硫电池相比锂离子电池具有更高的能量密度，可以减轻无人机的重量，提升其续航能力。
2. 高温适应性无人机在高温环境下容易发生故障，影响其性能和寿命。
锂硫电池具有较好的高温适应性，可以在较高温度下工作。
3. 长寿命对于无人机来说，长寿命的电池可以减少更换电池的次数，提高使用效率。
锂硫电池能够提供较长的寿命，减少维护成本。
可再生能源储存1. 大容量可再生能源的发电具有不稳定性，需要进行能量储存。
锂硫电池的高能量密度使其成为储存大容量能量的理想选择。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第25卷第11期2013年11月化 学 进 展PROGRESS IN CHEMISTRYVol.25No.11 Nov.,2013 收稿:2013年4月,收修改稿:2013年6月 ∗国家高技术发展计划(863)项目(No.2011AA11A257)资助∗∗Corresponding author e⁃mail:puwh@锂硫电池最新研究进展∗万文博 蒲薇华∗∗ 艾德生(清华大学核能与新能源技术研究院 北京100084)摘 要 锂硫电池的理论能量密度为2600Wh /kg ,是锂离子二次电池的3—5倍,是极具应用前景的电化学储能体系,近年来引起了研究人员的广泛关注。
人们在维持电极结构稳定性、提高硫的利用率和加强电池循环寿命等方面开展了大量的研究工作。
本文综述了锂硫电池的最新研究进展,从硫正极材料复合改性、不同种类电解质、锂负极保护、电池结构设计等4个方面进行了总结,分析了影响锂硫电池比容量、循环稳定性的主要因素,最后展望了锂硫电池未来的发展趋势。
关键词 锂硫电池 硫基复合正极 电解质 锂负极 循环寿命中图分类号:O646.21;TM911 文献标识码:A 文章编号:1005⁃281X(2013)11⁃1830⁃12Research Progress in Lithium Sulfur BatteryWan Wenbo Pu Weihua ∗∗ Ai Desheng(Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract Lithium⁃sulfur (Li⁃S)battery is a promising electrochemical energy storage system that has hightheoretical energy density of 2600Wh ·kg -1,which is 3to 5times that of Li⁃ion batteries.It has attracted moreand more attentions in recent years.Great efforts have been made to improve the stability of electrode structure,the utilization efficiency of sulfur in the cathode and the enhancement of cycle life of the battery.In this paper,the recent progress of the lithium⁃sulfur battery is reviewed from four aspects:modification of sulfur⁃based composite cathode material,electrolytes,protection of lithium anode and design of lithium⁃sulfur cell configurations.The main factors on the specific capacity and cycle stability of the lithium⁃sulfur battery are analyzed.The prospects anddevelopment trends on lithium⁃sulfur battery are also discussed.Key words lithium⁃sulfur battery;sulfur⁃based composite cathode;electrolytes;lithium anode;cycle lifeContents1 Introduction2 Lithium sulfur battery system 3 Cathode materials of lithium sulfur battery 3.1 Metal sulfides 3.2 Organic sulfides3.3 Sulfur /metallic oxide composite materials 3.4 Sulfur /carbon composite materials 3.5 Sulfur /polymer composite materials3.6 Other cathode materials 4 Electrolytes4.1 Organic liquid electrolytes 4.2 All solid sate electrolytes 4.3 Gel polymer electrolyte 4.4 Ionic liquids5 Lithium anode protection 5.1 Coating method 5.2 Electrolyte additive5.3 Lithium alloy第11期万文博等 锂硫电池最新研究进展·1831 ·5.4 Pre⁃passivation of lithium6 Li⁃S cell configuration7 Conclusion and outlook1 引言锂离子二次电池因具有工作电压高、能量密度大(重量轻)、无记忆效应、循环寿命长以及无污染等优点,近年来,已经成为各类电子产品的首选电源。
但是随着移动互联网时代的来临、电子设备小型化以及电动自行车、电动汽车、大型储能电站进入大规模发展和应用阶段,对锂离子二次电池提出了更高比容量的要求[1,2]。
在锂离子二次电池体系中,相对于负极材料(如石墨和硅负极材料的理论比容量分别为372mAh/g[3]、4200mAh/g[4,5]),低比容量的正极材料(LiFePO4和LiCoO2理论比容量分别为170mAh/g[6—8]、274mAh/g[9])一直是制约其发展的主要因素。
因此,开发一种比容量高、循环寿命长、安全性能高的正极材料尤为重要。
作为正极材料,单质硫具有最高的理论比容量(1675mAh/ g),理论比能量为2600Wh/kg,此外,单质硫还具有低毒性、存储量大、价格低廉等优势[10—12]。
因此,单质硫是一种非常具有应用前景的正极材料。
本文综述了近年来锂硫电池的研究进展,尤其是近两年来研究者提出的一些新思路和新方法。
主要从正极材料、电解液、负极改进技术、电池结构设计4个方面进行综述。
分析了锂硫电池循环稳定性差、库仑效率低、硫利用率低的原因,期望对锂硫电池进一步的研究有所帮助。
2 锂硫电池体系锂硫电池体系最早提出于20世纪60年代[13,14],与“摇椅式”锂离子二次电池不同[15],锂硫电池的充放电过程是环状S8分子经过一系列结构和形态变化,形成可溶性聚硫化物和不溶性聚硫化物的过程(如图1)[2]。
在其放电过程中主要存在两个放电区域:高压放电区域(2.4—2.1V),单质硫被还原成可溶于电解液的高价态聚硫离子(S n2-,5≤n≤8);低压放电区域(2.1—1.5V),在此过程中高价态聚硫离子被还原成可溶于电解液的低价态聚硫离子(S n2-,3≤n≤4)和不溶于电解液的Li2S2、Li2S[10,16]。
锂硫电池在充放电过程中,生成的可溶于电解液的较高价态的聚硫离子会扩散到锂负极,直接与金属锂发生副反应,生成低价态的多硫化锂,这些低价态的多硫化锂扩散回硫正极,生成高价态的多硫化锂,从而产生飞梭效应。
飞梭效应的产生,直接导致了硫利用率的降低以及锂负极的腐蚀,使电池循环稳定性变差,库仑效率降低。
此外,S的电导率极低(25℃时,Ω=5×10-30S/cm)、充放电过程中不溶性Li2S沉积在负极,锂负极有枝晶生成,S正极会发生体积膨胀而碎裂(76%),这些都会导致锂硫电池循环稳定性变差[17—21]。
为了解决以上问题,研究人员分别从正极材料改性、电解液、负极保护技术、电池结构设计4个方面开展研究工作。
图1 锂硫电池原理示意图[2]Fig.1 Schematic illustration of a typical lithium⁃sulfur battery[2]3 锂硫电池正极材料早在1962年,Herbet和Ulam最先将硫作为正极材料[22]。
但是初期,人们只是单纯地将单质硫粉、导电剂、粘结剂机械混合作为正极。
随后,为了提高其循环稳定性、库仑效率以及硫的利用率等,对其做了大量的改性研究,例如合成二元金属硫化物、有机硫化物、硫/金属氧化物复合材料、硫/碳复合材料、硫/聚合物复合材料等。
3.1 二元金属硫化物二元金属硫化物是锂硫电池发展初期研究比较多的材料,它们一般具有较大的理论比容量,并且合成简单。
但是由于安全问题、功率密度较低、电活性以及硫利用率较低等问题而受到限制。
二元金属硫化物的合成方法除了常见的高温固相合成、机械球磨法外,还有溶剂热法、电化学沉积法等。
二元金属硫化物作为正极材料的充放电机理有以下两种: (1)生成嵌锂化合物(如TiS2);(2)与氧化物生成类似的金属单质和Li2S(如Cu2S、NiS、CoS)[23—25]。
Han等[26]分别用球状金属镍、片状金属镍、丝状金属镍和单质硫粉进行球磨,制备出了NiS材料。
·1832 ·化 学 进 展第25卷结果显示,利用丝状金属镍制备出的NiS 材料具有较高的比容量和较好的循环稳定性,初始放电比容量为580mAh /g,循环200次后比容量保持在550mAh /g,是其理论比容量的93.2%。
Ni 和S 可形成多种化合物,如NiS、Ni 3S 2,以及一些非化学计量比的硫化物。
Wang 等[27]利用溶剂热法合成出了Ni 3S 2和Ni 7S 6⁃NiS 两种硫化物,Ni 7S 6⁃NiS 较Ni 3S 2显示出了更好的循环性能,循环20次比容量为400mAh /g。
Yufit 等[28]利用恒电流在Ni 基底上沉积出了FeS x 薄膜,该薄膜厚度为0.6—1μm,无定形多孔海绵状结构,由FeS、FeS 2、非化学计量比的FeS 1+x 以及铁的氧化物等成分组成。
1C 下充放电650次,单次循环容量损失不高于0.06%。
目前研究较多的除了金属镍、铁以外,还包括MoS 2、WS 2、TiS 2、Cu 2S、CoS 等,其电化学性能见表1。
表1 不同金属硫化物的循环性能Table 1 Cycling performances of different metal sulfidemetal sulfide initial discharge capacity /mAh ·g -1cyclingperformance /mAh ·g -1ref crystalline SnS 260010th 40029CoS 0.92·9H 2O 70020th 50030ZnS150040th 40031MoS 2nanoflakes 120020th 84032WS 2nanoflakes170020th680333.2 有机二硫化物及其聚合物有机二硫化物及其聚合物是20世纪80年代发展起来的,这种材料的分子结构中含有双硫键(—S—S—),双硫键上可以发生可逆的氧化还原反应(—S—S—+2e -=2S -),用来提供能量。