什么是锂硫电池？它有什么优点？
来源：宝鄂实业
2019-05-30 10:06
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锂离子二次电池以其清洁高效、质量轻、容量大等优点,已经被广泛应用于便携式电子设备电源中。近年来,随着电动车等大型动力系统技术的发展,对二次电池的需求逐渐向大功率、低成本迈进，而且在能源和环境问题的日益加剧下，绿色可再生资源成为研究的热点。锂离子电池是目前主流的储能器件，但由于受限于有限且分布不均匀的锂资源而使其价格居高不下，因此基于其他碱金属离子的二次电池逐渐引起大家的关注。钠和钾在地壳中储量丰富、成本更低，并且与锂具有相似的电化学性质。因此，发展钠和钾离子的二次电池替代锂离子二次电池具有重要的现实意义。然而，钠离子和钾离子半径大和质量大，给电池电极材料与电解质材料开发提出新的挑战。YanguangLi等人[1]提出用溶剂热法制备了一种超薄VS2纳米片分级结构，具有原子级厚度，而且还可以同时作为锂离子、钠离子、钾离子的电极材料（图1），这是很少电极材料能做到的。他们还通过DFT计算证明了VS2的层状结构对碱金属离子具有较大的吸附能和较低的迁移阻力。VS2有序的分级结构具有良好的可逆容量、倍率性能和循环稳定性，尤其是对钠和钾的储能效果优势相当明显。
随着电子产品使用的普及，电子垃圾将成为21世纪日益凸显的问题，随之而起的瞬态可消失技术成为一个新兴领域。储能设备的瞬态可消失技术也变得尤其重要，锂离子电池的瞬态可消失技术成为一个重要的研究方向。LiangbingHu的团队[2]制备了一种高容量的瞬态可消失锂离子电池，传统的锂离子电池正极材料使用碳类导电剂，很难溶解，导致正极材料很难瞬态消失，他们采用锡掺杂的五氧化二钒作为正极材料，无需添加导电剂和粘结剂，使得正极材料可以实现瞬态消失，在碱溶液中8分钟就可以完成溶解。而且采用锡掺杂的正极材料后，电池在5C的电流密度下充放电能够达到0.27mAh/cm2的电量，稳定充放电200个循环。瞬态可消失锂离子电池的研究有助于实现整个电子器件的瞬态消失。
当前电动汽车的发展面临着一个问题，那就是由于电池的质量能量密度较低，使得电动汽车上的电池又大又重，因此每一辆电动汽车安装上去的电池数量都很有限，且充电时间比较长。因此需要开发高能量密度的新型电池。从目前技术上来看，理论能量密度最高的两个体系是锂硫电池和锂空气电池，这两类电池的质量能量密度均超过500Wh/Kg，能够较好地提升电动汽车的行驶里程数。
锂硫电池因为其具有高容量（1673mAh/g）、高能量密度（2500Wh/kg、2800Wh/L）、活性物质硫来源广泛且成本低廉等优点，近年来迅速成为了世界各国研究者的研究热点，这些明显的优越性使得锂硫电池作为下一代高能量密度二次电池有着巨大的研究潜力和应用前景。但硫及硫化锂导电率低、中间产物聚硫化物在有机电解液中高度溶解、穿梭反应等缺点，因此有效提高正极材料硫的负载量、实现其高效利用是推动锂硫电池技术应用的关键。XiuleiJi&KhalilAmine等人[3]报道了一种正极材料，是将金属锂在CS2蒸汽中燃烧，制备得到高结晶度的包裹了石墨烯层的Li2S的纳米颗粒（Li2S@graphene纳米胶囊），构成一种核壳结构。这种纳米胶囊结构有着很多优点：Li2S阻止了体积膨胀；没有石墨烯层存在就不会形成Li2S纳米颗粒；石墨烯的导电框架结构促进电子和离子传输使得近乎所有的Li2S纳米颗粒具有电化学活性；密实的石墨烯壳结构保证了复合物结构完整性，从而抑制循环过程中多硫化物的流失。文章中还结合TEM和DFT计算研究了该纳米胶囊复合结构对抑制多硫化物流失的机理。
锂硫电池中常用的醚类电解液，对于反应中间产物多硫化物的溶解度较低，导致电池中需要大量的电解液，限制了锂硫电池的实际能量密度。提高电解液介电常数会增加多硫化物溶解度，但金属锂在这类电解液中的稳定性差，限制了其应用。QiangZhang团队[4]提出一种基于负极稳定的自由基反应新途径，发现基于四甲基脲的高介电常数的电解液，与高度活泼的金属锂兼容性好，200个循环后依然对金属锂负极具有较好的稳定性，且不会发生严重的溶剂分解反应。在S3??自由基负离子的存在下，多硫化合物短链的高溶解性有利于提高正极活性物质的利用率，促进硫化锂的沉积，减缓硫化锂对正极材料的钝化，使得电池能够获得1524mAh/g的放电容量和324Wh/Kg的能量密度。
随着电子产品使用的普及，电子垃圾将成为21世纪日益凸显的问题，随之而起的瞬态可消失技术成为一个新兴领域。储能设备的瞬态可消失技术也变得尤其重要，锂离子电池的瞬态可消失技术成为一个重要的研究方向。LiangbingHu的团队[2]制备了一种高容量的瞬态可消失锂离子电池，传统的锂离子电池正极材料使用碳类导电剂，很难溶解，导致正极材料很难瞬态消失，他们采用锡掺杂的五氧化二钒作为正极材料，无需添加导电剂和粘结剂，使得正极材料可以实现瞬态消失，在碱溶液中8分钟就可以完成溶解。而且采用锡掺杂的正极材料后，电池在5C的电流密度下充放电能够达到0.27mAh/cm2的电量，稳定充放电200个循环。瞬态可消失锂离子电池的研究有助于实现整个电子器件的瞬态消失。
当前电动汽车的发展面临着一个问题，那就是由于电池的质量能量密度较低，使得电动汽车上的电池又大又重，因此每一辆电动汽车安装上去的电池数量都很有限，且充电时间比较长。因此需要开发高能量密度的新型电池。从目前技术上来看，理论能量密度最高的两个体系是锂硫电池和锂空气电池，这两类电池的质量能量密度均超过500Wh/Kg，能够较好地提升电动汽车的行驶里程数。
锂硫电池因为其具有高容量（1673mAh/g）、高能量密度（2500Wh/kg、2800Wh/L）、活性物质硫来源广泛且成本低廉等优点，近年来迅速成为了世界各国研究者的研究热点，这些明显的优越性使得锂硫电池作为下一代高能量密度二次电池有着巨大的研究潜力和应用前景。但硫及硫化锂导电率低、中间产物聚硫化物在有机电解液中高度溶解、穿梭反应等缺点，因此有效提高正极材料硫的负载量、实现其高效利用是推动锂硫电池技术应用的关键。XiuleiJi&KhalilAmine等人[3]报道了一种正极材料，是将金属锂在CS2蒸汽中燃烧，制备得到高结晶度的包裹了石墨烯层的Li2S的纳米颗粒（Li2S@graphene纳米胶囊），构成一种核壳结构。这种纳米胶囊结构有着很多优点：Li2S阻止了体积膨胀；没有石墨烯层存在就不会形成Li2S纳米颗粒；石墨烯的导电框架结构促进电子和离子传输使得近乎所有的Li2S纳米颗粒具有电化学活性；密实的石墨烯壳结构保证了复合物结构完整性，从而抑制循环过程中多硫化物的流失。文章中还结合TEM和DFT计算研究了该纳米胶囊复合结构对抑制多硫化物流失的机理。
锂硫电池中常用的醚类电解液，对于反应中间产物多硫化物的溶解度较低，导致电池中需要大量的电解液，限制了锂硫电池的实际能量密度。提高电解液介电常数会增加多硫化物溶解度，但金属锂在这类电解液中的稳定性差，限制了其应用。QiangZhang团队[4]提出一种基于负极稳定的自由基反应新途径，发现基于四甲基脲的高介电常数的电解液，与高度活泼的金属锂兼容性好，200个循环后依然对金属锂负极具有较好的稳定性，且不会发生严重的溶剂分解反应。在S3??自由基负离子的存在下，多硫化合物短链的高溶解性有利于提高正极活性物质的利用率，促进硫化锂的沉积，减缓硫化锂对正极材料的钝化，使得电池能够获得1524mAh/g的放电容量和324Wh/Kg的能量密度。
