El principio de funcionamiento de las baterías de azufre de litio y los problemas existentes.

La batería de litio-azufre es una especie de batería de litio. Utiliza azufre como electrodo positivo de la batería y una especie de litio metálico como electrodo negativo de la batería. El azufre elemental es abundante en la tierra y tiene las características de bajo precio y respeto al medio ambiente.

Introducción a la batería de litio-azufre

Una batería de litio-azufre es un tipo de batería de litio, que utiliza un elemento de azufre como electrodo positivo de la batería y un metal de litio como electrodo negativo. El azufre elemental es abundante en la tierra y tiene las características de bajo precio y respeto al medio ambiente. Las baterías de litio-azufre que utilizan azufre como material de electrodo positivo tienen una capacidad específica teórica y una energía teórica de la batería más altas, alcanzando 1675mah / gy 2600wh / kg, respectivamente, que es mucho más alta que la capacidad de las baterías de óxido de cobalto de litio disponibles comercialmente (<150mah / gramo). Y el azufre es un elemento ecológico que no contamina el medio ambiente y es una batería de litio muy prometedora.

baterías de litio y azufre con azufre como sustancia de reacción del ánodo, el cátodo del litio. Descarga cuando la reacción del cátodo para el electrón de litio en iones de litio, la reacción positiva para los iones de azufre y litio y los electrones generan sulfuro, la respuesta positiva y negativa proporcionada por la diferencia de potencial es el voltaje de descarga de las baterías de azufre de litio. 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 en S2: puede proporcionar azufre de electricidad, se puede concluir que la teoría de la calidad de la capacidad específica de descarga es de 1675 mah / g, lo mismo se puede concluir que la calidad teórica de litio elemental de la capacidad específica de descarga es de 3860 mah / gramo. La teoría de las baterías de litio y azufre descargan voltaje de 2.287 V, cuando el azufre y el litio reaccionan para generar sulfuro de litio (Li2S) en su totalidad. La teoría correspondiente de las baterías de azufre de litio descarga la calidad de la energía de 2600wh / kg.

A continuación, veremos parte del rendimiento de carga y descarga de la batería de litio:

Desde el punto de la curva de descarga, las baterías de azufre de litio son dos plataformas de descarga, plataforma de alto voltaje de 2,4 V, plataforma de bajo voltaje de 2,1 V, pero la capacidad es muy alta, fácil de + 1000 mah / g. Hay mucho en el proceso del intermedio, Li2S8, Li2S6, Li2S4. Estos productos intermedios a menudo están fuera del camino, su existencia de azufre positivo trae muchos problemas, como el efecto lanzadera, la solubilidad y el producto final son los aislantes eléctricos. , esto reduce la velocidad de la cinética de reacción, bajó la velocidad de rendimiento de la batería, la densidad del azufre es mayor que el producto Li2S, es decir, Li2S que S se acumula más esponjoso, por lo que la expansión del volumen es inevitable, 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.

Los problemas de las baterías de litio y azufre

Principales problemas de la batería de litio: los compuestos de azufre de litio se disuelven en el electrolito; El azufre como material no conductor, la conductividad eléctrica es muy mala, mala para la alta relación de rendimiento de la batería; Azufre en el proceso de carga y descarga, la expansión del volumen del estrecho es muy grande, puede dañar la batería.

En primer lugar, la mala conductividad electrónica y la conductividad iónica del azufre elemental, los materiales de azufre a temperatura ambiente, la conductividad eléctrica de muy baja (5.0 x 10 a 30 s. Cm - 1), Li2S2 y el producto de Li2S también son aislantes eléctricos, es no favorece el rendimiento de alta velocidad de la batería.

En segundo lugar, el producto de descarga intermedia de la batería de litio-azufre se disuelve en el electrolito orgánico, aumentando la viscosidad del electrolito y reduciendo la conductividad iónica. Los iones de polisulfuro pueden migrar entre los electrodos positivo y negativo, lo que resulta en una pérdida de material activo y un desperdicio de energía eléctrica (efecto Shuttle). El polisulfuro disuelto se difunde a través del separador hasta el electrodo negativo y reacciona con el electrodo negativo para destruir la película de interfaz de electrolito sólido (película SEI) del electrodo negativo.

En tercer lugar, las baterías de azufre de litio descargan el producto Li2Sn (n = 1 ~ 2) aislamiento electrónico y no se disuelve en el electrolito, depositado en la superficie del marco conductor; Parte del sulfuro de litio del marco conductor, de ninguna manera el proceso de carga de reacción reversible en azufre o polisulfuro de orden superior, causó la gran atenuación de la capacidad.

En cuarto lugar, la densidad de azufre y sulfuro de litio fue de 2.07 y 1.66 g · cm - 3, en el proceso de carga y descarga es hasta el 79% de la expansión / contracción del volumen, esta expansión dará lugar a cambios positivos en la morfología y estructura, causada por el azufre y el marco conductor, lo que resulta en la capacidad de atenuación; El efecto de volumen debajo de las baterías de botón no fue significativo, pero en el efecto de gran volumen se amplificará en la batería, tendrá una atenuación de capacidad significativa, puede causar daños en la batería, se destruiría el gran cambio de volumen de la estructura del electrodo.

En quinto lugar, la batería de litio-azufre utiliza litio metálico como electrodo negativo. Además de la alta actividad del propio litio metálico, el electrodo negativo de litio metálico sufre cambios de volumen durante la carga y descarga, y las dendritas se forman fácilmente.

En sexto lugar, se realiza la investigación a escala de laboratorio de baterías de litio-azufre. La carga de azufre por unidad de área está generalmente por debajo de 3,0 mg · cm-2. La investigación sobre espectrómetros polares de alta carga es de gran valor para la obtención de baterías de litio-azufre de alto rendimiento.

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