锂硫电池你了解吗?

锂硫电池发展史：锂离子电池有30多年的历史，而锂硫电池更年轻。1962年，Herbet和Ulam首次提出使用硫作为正极材料，以碱性高氯酸盐为电解质。

早期锂硫体系作为一次电池被研究，甚至还一度商业化生产，但后来被可充电电池取代搁置。2009年LindaF.Nazar在NatureMaterials上提出有关锂硫二次可充放电池，并用CMK-3实现了1320mAh/g的高比容量。自此锂硫电池真正开启了发展篇章。

锂硫电池原理：锂硫电池正极为硫或含硫材料，负极为锂。平均电压2.1V，理论上锂硫体系（Li-S）具有1672mAh/g的比容量，2600Wh/kg的能量密度，是传统商业化以LiCo02为正极的锂离子电池（理论比容量273.8mAh/g，能量密度360Wh/kg）7倍左右。相比普通锂离子电池，锂硫电池的放电本质不是简单的锂离子脱嵌，而是伴随着大量中间产物的氧化还原过程。锂硫放电电池放电过程中，单质硫从环状S8开环与Li反应，由长链Li2S8向短链Li2S转化的过程中伴随着两个明显的放电平台，高电势放电平台为2.45V-2.1V，该过程可认为大量S8向S42-转化，而低电势放电则为2.1V1.7V，此过程为大量S42-转化为S22-与S2-。另一方面，不同的转化程度也对应着不同的电容量。

放电反应方程如下：

正极：S8+16Li+e-→8Li2S

负极：Li→Li++e-

总反应：2Li+nS→Li2Sn→Li2S

普通锂离子电池是单电子脱嵌，锂硫电池是8电子氧化还原，因而有7-8倍的理论容量和能量密度。与传统锂离子电池相似，锂硫电池由正极，负极，隔膜，电解质和隔膜组成。因此锂硫电池被认为是目前最有希望替代传统锂离子电池，成为新一代的储能设备的新能源。

硫正极材料是制约锂硫电池发展和应用的关键因素，因此我们重点关注硫正极。目前，锂硫体系的硫正极也存在几个问题要解决：穿梭效应，导电性差，体积膨胀。

1、放电过程中多硫化物溶解（Li2Sx，3＜x＜8），出现复杂的歧化反应，发生穿梭效应，造成大量自放电，库伦效率和循环性能降低，出现不可逆容量衰减；

2、单质硫与放电产物硫化锂的电导率低，S电导率（5×10-30S/cm，25℃），Li2S/Li2S2电导率（~10-30S/cm），造成硫的利用率只有50-70%左右。

3、而且从斜方晶系α-S（ρ1=2.03g/cm3）转化为反萤石结构的Li2S（ρ2=1.66g/cm3），体积膨胀大，破坏电极结构，影响了循环稳定性