锂硫电池综述概要.docVIP

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/kg2600Wh/kg，是锂离子二次电池的3～5 Research progress in High-Performance Lithium-Sulphur Batteries Ren Guodong (School of Metallurgy and Environment, Central South University，0507110402) Abstract150～200Wh/kg2600Wh/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． Keywords：lithium-sulphur battery cathode material nano-structure modification electrolyte cell configuration 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。传统锂离子电池具有具有安全性好、无记忆效应、循环寿命长以及无污染等优点,目前已经成为各类电子产品的首选电源。在锂离子二次电池体系中，相比于负极材料（如石墨和硅负极材料），低比能量的正极材料（LiFePO4和LiCoO2理论比容量分别的170mAh/g 、274mAh/g），一直是制约其发展的主要因素[1]。为此，人们将目光转向新二次电池体系以期望获得更高的能量密度在目前已知的正极材料中，硫具高的比容量（1675mh/g）。点[3][4]。本文将分别从正极材料、电极材料改性、电解质、锂硫电池新型设计等方面介绍锂硫电池近几年的研究现状。 锂硫电池正极材料的研究 单质硫和硫化物在室温下是电子与离子的绝缘体[4]，因此目前的研究过程中，为了保证电池能在高电流密度下发生可逆的电化学反应，需要将硫与其他导电介质进行复合。常用的正极材料有：二元金属硫化物、硫/金属氧化物复合材料、硫/碳复合材料等[1]。 2.1二元金属硫化物 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。 Dusheiko[5]等，在600~1050℃温度范围内，采用不同的升温和降温速率发生反应得到TiS2、MoS3、V2S2等二元硫化物，并将得到的材料进行电化学性能测试。通过对比不同条件下合成的正极活性物质的电化学测试数据，总结得出了化学反应条件对材料电化学性能的影响。 2.2硫/金属氧化物的复合材料 锂硫电池反应过程不同于锂离子电池，锂硫电池放电过程对应两个放电平台。首先是环形S8分子还原生成S（对应第一个放电平台2.1~2.4V)[6],与此同时生成易溶于电解质溶液的多硫化物(Li2Sn, n =4~8)[7]；第二个平台（约1.5~2.1V）对应可溶性的Li2S4转变成不溶性的Li2S。反应过程中生成的多硫化物溶解于电解液中的多硫化物在电池正负极之间发生穿梭往复，造成活性物质的不可逆损失，并明显降低了充放电效率[8]。李亚娟等[9]S8和硫化锂分子的结构和性质进行理论研究，发现八种具有稳定构型的硫化锂分子。而Li2S分子中S-Li键键长相比其它硫化锂而言具有最小，该分子中锂原子和硫原子间作用力很强。在锂硫二次电池体系中，这会导致硫电极放电产物在充电过程中锂离子不容易脱出。这也是锂硫二次电池深度放电后，再充电电池极化增大的主要原因。 研究人员抑制多硫化物在电解质中的溶解，在硫正极中引入了金属纳米氧化物。硫电极中掺入纳米金属氧化物增大了材料的比表面积,扩展了锂离子扩散至材料内部的通道,使电解液对活性 物质有更好的浸润效果, 还能抑制多硫化物的溶解和硫的聚集。部分纳米金属氧化物还对硫-硫键的断裂和键合反