Τι είναι μια μπαταρία λιθίου-θείου;

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (LiCo02) είναι μονοηλεκτρονική αφιεροποίηση, ενώ οι μπαταρίες λιθίου-θείου είναι redox 8 ηλεκτρονίων, έτσι οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν τη θεωρία ότι είναι 7-8 φορές η χωρητικότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου. Αν και οι μπαταρίες πολυμερούς λιθίου έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στα προϊόντα 3C, λόγω της περιορισμένης ενεργειακής πυκνότητας, δηλαδή, η περιορισμένη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, πρέπει να χρεώνονται συχνά, πράγμα που είναι ενοχλητικό. Το πιο διαισθητικό συναίσθημα είναι ότι μετά την αλλαγή του έξυπνου τηλεφώνου, ο καθένας χρεώνει κάθε μέρα, και ακόμη και ο θησαυρός φόρτισης δεν φεύγει από το κράτος. Η σημερινή κοινωνία χρειάζεται ένα νέο τύπο μπαταρίας ιόντων λιθίου με χαμηλό κόστος, χωρίς ρύπανση, σταθερή απόδοση, μεγάλη ειδική χωρητικότητα και υψηλή ενεργειακή πυκνότητα για να καλύψει τις ανάγκες της μεγαλύτερης διάρκειας ζωής της μπαταρίας και ταχύτερη ταχύτητα φόρτισης.

Ιστορικό ανάπτυξης μπαταριών λιθίου-θείου: Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν ιστορία άνω των 30 ετών και οι μπαταρίες λιθίου-θείου είναι νεότερες. Το 1962, herbet και Ulam πρότεινε για πρώτη φορά τη χρήση του θείου ως καθόδος υλικό και αλκαλικό υπερχλωρικό ως ηλεκτρολύτη.

Το πρώιμο σύστημα λιθίου-θείου μελετήθηκε ως κύρια μπαταρία και μάλιστα εμπορευματοποιήθηκε για ένα χρονικό διάστημα, αλλά αργότερα αντικαταστάθηκε από επαναφορτιζόμενες μπαταρίες και τέθηκε σε αναμονή. Το 2009, η Linda F. Nazar πρότεινε μια δευτερεύουσα επαναφορτιζόμενη μπαταρία λιθίου-θείου στα υλικά της φύσης, και χρησιμοποίησε CMK-3 για να επιτύχει μια υψηλή ειδική ικανότητα 1320mAh/g. Από τότε, οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν ανοίξει πραγματικά ένα κεφάλαιο στην ανάπτυξη.

Η αρχή της μπαταρίας λιθίου-θείου: το θετικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας λιθίου-θείου είναι θείο ή θείο που περιέχει υλικό, και το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι λίθιο. Η μέση τάση είναι 2.1V. Θεωρητικά, το σύστημα λιθίου-θείου (Li-S) έχει ειδική χωρητικότητα 1672mAh/g και ενεργειακή πυκνότητα 2600Wh/kg. Πρόκειται για μια παραδοσιακή εμπορική μπαταρία ιόντων λιθίου με LiCo02 ως θετικό ηλεκτρόδιο (θεωρητική ειδική χωρητικότητα 273.8mAh/g, Ενεργειακή πυκνότητα 360Wh/kg) περίπου 7 φορές. Σε σύγκριση με τις συνήθεις μπαταρίες ιόντων λιθίου, η φύση της απόρριψης μπαταριών λιθίου-θείου δεν είναι απλή αποδιάστατη ιόντων λιθίου, αλλά μια διαδικασία επαναχρωματισμού που συνοδεύεται από μεγάλο αριθμό ενδιάμεσων προϊόντων. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απαλλαγής της μπαταρίας απαλλαγής λίθιου-θείου, το στοιχειακό θείο αντιδρά με το Λι από το δαχτυλίδι-άνοιγμα του κυκλικού S8, και η μετατροπή από τη μακράς αλυσίδας Li2S8 σε μικρής αλυσίδας Li2S συνοδεύεται από δύο προφανείς πλατφόρμες απαλλαγής, η υψηλή πιθανή πλατφόρμα απαλλαγής είναι 2.45V-- 2.1V, η διαδικασία μπορεί να θεωρηθεί ένα μεγάλο ποσό S8 σε S42- μετατροπή, και η χαμηλής δυνητικής απαλλαγής είναι 2.1V-1.7V, αυτή η διαδικασία είναι ένα μεγάλο ποσό S42- σε S22- και S2-. Από την άλλη, διαφορετικοί βαθμοί μετατροπής αντιστοιχούν επίσης σε διαφορετικές χωροθετείς.

Η εξίσωση αντίδρασης απαλλαγής έχει ως εξής:

Θετικό ηλεκτρόδιο: S8+16Li+e-→8Li2S

Αρνητικό ηλεκτρόδιο: Li→Li++e-

Συνολική αντίδραση: 2Li+nS→Li2Sn→Li2S

Οι συνηθισμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι αφιερωτικοποίηση μονού ηλεκτρονίου, και οι μπαταρίες λιθίου-θείου είναι redox 8 ηλεκτρονίων, έτσι έχουν 7-8 φορές τη θεωρητική ικανότητα και την ενεργειακή πυκνότητα. Παρόμοιες με τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι μπαταρίες λιθίου-θείου αποτελούνται από ένα θετικό ηλεκτρόδιο, ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο, ένα διαχωριστικό, έναν ηλεκτρολύτη και ένα διαχωριστικό. Ως εκ τούτου, οι μπαταρίες λιθίου-θείου θεωρούνται η πιο πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου και γίνονται μια νέα πηγή ενέργειας για μια νέα γενιά εξοπλισμού αποθήκευσης ενέργειας.

Τα υλικά καθόδου θείου είναι ένας βασικός παράγοντας που περιορίζει την ανάπτυξη και την εφαρμογή των μπαταριών λίθιου-θείου, έτσι εστιάζουμε στις καθόδους θείου. Επί του παρόντος, η κάθοδος θείου του συστήματος λιθίου-θείου έχει επίσης πολλά προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν: φαινόμενο μεταφοράς, κακή αγωγιμότητα, και επέκταση του όγκου.

1. Τα πολυσουλφίδια διαλύονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απαλλαγής (Li2Sx, 3<>8), με αποτέλεσμα μια σύνθετη αντίδραση δυσαναλογίας και μια "επίδραση του λεωφορείου", προκαλώντας μεγάλη ποσότητα αυτοεκφόρτισης, μειώνοντας την απόδοση του Coulomb και την απόδοση του κύκλου, και προκαλώντας μη αναστρέψιμη υποβάθμιση της χωρητικότητας.

2. Η αγωγιμότητα του στοιχειαού θείου και του θειούχου λιθίου προϊόντων απαλλαγής είναι χαμηλή, η αγωγιμότητα του S (5×10-30S/cm, 25°C), η αγωγιμότητα του Li2S/Li2S2 (~10-30S/cm), με αποτέλεσμα τη χρησιμοποίηση του θείου μόνο περίπου 50-70%.

3. Ο μετασχηματισμός από orthorhombic α-S (ρ1=2.03g/cm3) σε Li2S με αντίστροφη δομή φθορίτη (ρ2=1.66g/cm3) έχει μεγάλη επέκταση όγκου, καταστρέφει τη δομή ηλεκτροδίων, και επηρεάζει τη σταθερότητα του κύκλου.