什么是鋰硫電池?

鋰離子電池（LiCo02）是單電子脫嵌，而鋰硫電池是8電子氧化還原，因而鋰硫電池有是鋰離子電池7-8倍容量的理論。盡管聚合物鋰電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于3C產(chǎn)品，但是由于能量密度，也就是容量續(xù)航能力有限，需要經(jīng)常充電，是一件比較麻煩的事情。最為直觀的感受就是，換了智能手機(jī)之后，大家是每天充電，甚至充電寶不離手的狀態(tài)。當(dāng)今社會(huì)需要一種低成本，無污染，性能穩(wěn)定，比容量大，能量密度高的新型鋰離子電池滿足更長(zhǎng)的續(xù)航需求和更快的充電速度。

鋰硫電池發(fā)展史：鋰離子電池有30多年的歷史，而鋰硫電池更年輕。1962年，Herbet和Ulam首次提出使用硫作為正極材料，以堿性高氯酸鹽為電解質(zhì)。

早期鋰硫體系作為一次電池被研究，甚至還一度商業(yè)化生產(chǎn)，但后來被可充電電池取代擱置。2009年Linda F.Nazar在Nature Materials 上提出關(guān)于鋰硫二次可充放電池，并用CMK-3實(shí)現(xiàn)了1320mAh/g的高比容量。自此鋰硫電池真正開啟了發(fā)展篇章。

鋰硫電池原理：鋰硫電池正極為硫或含硫材料，負(fù)極為鋰。平均電壓2.1V，理論上鋰硫體系（Li-S）具有1672mAh/g的比容量，2600Wh/kg的能量密度，是傳統(tǒng)商業(yè)化以LiCo02為正極的鋰離子電池（理論比容量273.8mAh/g，能量密度360Wh/kg）7倍左右。相比普通鋰離子電池，鋰硫電池的放電本質(zhì)不是簡(jiǎn)單的鋰離子脫嵌，而是伴隨著大量中間產(chǎn)物的氧化還原過程。鋰硫放電電池放電過程中，單質(zhì)硫從環(huán)狀S8開環(huán)與Li反應(yīng)，由長(zhǎng)鏈Li2S8向短鏈Li2S轉(zhuǎn)化的過程中伴隨著兩個(gè)明顯的放電平臺(tái)，高電勢(shì)放電平臺(tái)為2.45V—-2.1V，該過程可認(rèn)為大量S8向S42-轉(zhuǎn)化，而低電勢(shì)放電則為2.1V—1.7V，此過程為大量S42-轉(zhuǎn)化為S22-與S2-。另一方面，不同的轉(zhuǎn)化程度也對(duì)應(yīng)著不同的電容量。

放電反應(yīng)方程如下：

正極：S8+16Li+e-→8Li2S

負(fù)極：Li→Li++e-

總反應(yīng)：2Li+nS→Li2Sn→Li2S

普通鋰離子電池是單電子脫嵌，鋰硫電池是8電子氧化還原，因而有7-8倍的理論容量和能量密度。與傳統(tǒng)鋰離子電池相似，鋰硫電池由正極，負(fù)極，隔膜，電解質(zhì)和隔膜組成。因此鋰硫電池被認(rèn)為是目前最有希望替代傳統(tǒng)鋰離子電池，成為新一代的儲(chǔ)能設(shè)備的新能源。

硫正極材料是制約鋰硫電池發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素，因此我們重點(diǎn)關(guān)注硫正極。目前，鋰硫體系的硫正極也存在幾個(gè)問題需要解決：穿梭效應(yīng)，導(dǎo)電性差，體積膨脹。

1、放電過程中多硫化物溶解（Li2Sx，3＜x＜8），產(chǎn)生復(fù)雜的歧化反應(yīng)，發(fā)生“穿梭效應(yīng)”，造成大量自放電，庫(kù)倫效率和循環(huán)性能降低，出現(xiàn)不可逆容量衰減；

2、單質(zhì)硫與放電產(chǎn)物硫化鋰的電導(dǎo)率低，S電導(dǎo)率（5×10^-30S/cm，25℃），Li2S/Li2S2電導(dǎo)率（~10^-30S/cm），造成硫的利用率只有50-70%左右。

3、而且從斜方晶系α-S（ρ1=2.03g/cm3）轉(zhuǎn)化為反螢石結(jié)構(gòu)的Li2S（ρ2=1.66g/cm3），體積膨脹大，破壞電極結(jié)構(gòu)，影響了循環(huán)穩(wěn)定性