Principio de funcionamiento de carga y descarga de baterías de litio-azufre

Introducción a la batería de litio-azufre

Las baterías de litio-azufre son diferentes de las baterías de iones de litio, celdas de combustible, baterías de aire, etc. Es una batería con el principio más cercano y el principio de batería tradicional. El material del cátodo se compone generalmente de azufre y materiales altamente conductores. Principalmente porque el azufre en sí no es conductor, los puntos amarillos y negros en la figura anterior son una mezcla de azufre y carbono, por lo que esto significa que el azufre como electrodo positivo debe agregarse con un agente conductor, y es altamente conductor, lo que reduce el azufre del electrodo positivo. Densidad de energía (el agente conductor representa el peso pero no produce energía); el electrodo negativo utiliza escamas de litio, que es muy activo. Como electrodo negativo, no hay nada que decir, pero cuando se usa, preste atención a la seguridad. La alta actividad a menudo significa que existe este peligro; entonces el electrolito es principalmente Algunas soluciones de sal de litio, electrolitos y ésteres comúnmente utilizados en baterías de iones de litio, el litio y el azufre se usan generalmente en los éteres, aquí también hay un lugar muy particular, el electrolito entrará en contacto con el electrodo positivo, entonces involucra azufre y si el producto del electrodo positivo se disuelve directamente en este, lo que provoca una disminución en el rendimiento del ciclo de la batería; y un separador.

Veamos el rendimiento de carga y descarga de las baterías de litio-azufre:

Desde la curva de descarga, existen dos plataformas de descarga para baterías de litio-azufre. La plataforma de alto voltaje es de aproximadamente 2,4 V y la plataforma de bajo voltaje es de aproximadamente 2,1 V, pero la capacidad es muy alta, es fácil de 1000 + mAh / g. También puede ver en esta imagen. Hay muchos intermedios en este proceso, Li2S8, Li2S6, Li2S4. . Estos intermedios a menudo estorban, su presencia trae muchos problemas al electrodo positivo de azufre, como el efecto lanzadera, el problema de solubilidad, y el producto final es un aislante electrónico, lo que reduce la velocidad cinética de la reacción, haciendo que la batería El rendimiento de la tasa disminuye, la densidad del azufre es mayor que la del producto Li2S, es decir, Li2S es más esponjoso que S, por lo que el volumen se expande inevitablemente, lo que también es un problema inevitable.

Aquí, deberíamos poder comprender los problemas encontrados en las baterías de litio-azufre. La investigación actual se centra básicamente en estos temas, para lograr una alta densidad de energía, mejorar el contenido de S positivo, mejorar la estabilidad del ciclo y la seguridad. Por cierto, en el curso de esta investigación, el daño del equipo es realmente grande y no se puede dañar.

Principio de funcionamiento de carga y descarga de baterías de litio-azufre

Una batería típica de litio-azufre generalmente usa azufre elemental como electrodo positivo y placa de metal de litio como electrodo negativo. El mecanismo de reacción es diferente del mecanismo de desintercalación de iones de la batería de iones de litio, pero el mecanismo electroquímico.

Las baterías de litio-azufre utilizan azufre como sustancia de reacción positiva y litio como electrodo negativo. Cuando la descarga es negativa, el electrodo negativo reacciona al litio y el electrón pierde para convertirse en iones de litio. El electrodo positivo reacciona con azufre para reaccionar con iones de litio y electrones para formar sulfuro. La diferencia de potencial entre el electrodo positivo y el electrodo negativo es el voltaje de descarga proporcionado por la batería de litio-azufre. Bajo la acción del voltaje aplicado, los electrodos positivo y negativo de la batería de litio-azufre reaccionan a la inversa, que es el proceso de carga. De acuerdo con la unidad de masa de azufre elemental completamente cambiada a la cantidad de electricidad que puede ser suministrada por S2-, la relación de masa de descarga teórica de azufre es 1675 mAh / g. De manera similar, la relación de masa de descarga teórica de litio elemental es 3860 mAh / g. El voltaje de descarga teórico de una batería de litio-azufre es 2.287V cuando el azufre reacciona completamente con el litio para formar sulfuro de litio (Li2S). La energía específica de la masa de descarga teórica de la batería de litio-azufre correspondiente es de 2600 Wh / kg.

Las reacciones de carga y descarga del electrodo de azufre son complicadas y, a partir de 2013, no hay una comprensión clara de los productos intermedios producidos por el electrodo de azufre en las reacciones de carga y descarga. La reacción de carga-descarga del electrodo negativo de litio y el electrodo positivo de azufre es como se muestra en la fórmula (1-1) a la fórmula (1-4), y el proceso de descarga del electrodo de azufre comprende principalmente dos pasos correspondientes a dos plataformas de descarga. La fórmula (1-2) corresponde a la estructura de la cadena de iones Sn2- (3 ≤ n ≤ 7) en la estructura de anillo de S8, y se combina con Li + para formar Li2Sn, que corresponde a una descarga cercana a 2.4-2.1V en el plataforma de curva de descarga. La estructura de cadena de la fórmula (1-3) correspondiente al ion Sn2- se convierte en S2- y S22- y se combina con Li + para formar Li2S2 y Li2S, que corresponde a una plataforma de descarga más larga cerca de 2.1-1.8V en la curva de descarga. , la principal zona de descarga de las baterías de litio-azufre. YuanLixia y col. estudió el proceso de reacción electroquímica del electrodo positivo de azufre en una batería de litio-azufre. Creen que el rango potencial de 2.5-2.05V durante la descarga corresponde a la reducción del azufre elemental para formar polisulfuro y polisulfuro solubles, y el intervalo potencial de 2.05-1.5V corresponde a la reducción del polisulfuro soluble para formar una película sólida de sulfuro de litio. Cubre la superficie del sustrato de carbono conductor. Durante la carga, Li2S y Li2S2 en el electrodo de azufre se oxidan S8 y Sm2- (6 ≤ m ≤ 7), y no se pueden oxidar completamente a S8. La reacción de carga corresponde a una plataforma de carga cercana a 2,5 ~ 2,4 V en la curva de carga.

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