新型鋰硫電池的設(shè)計與性能研究

李楊

摘 要： 鋰硫電池是近年來使用頻率比較高的一種電池，相對于石油天然氣等不可再生資源儲存量的嚴(yán)重降低，鋰硫電池可以進行重復(fù)使用充電，因此備受各方關(guān)注。本文主要對新型鋰硫電池的設(shè)計及性能進行了研究，并提出了幾點改進策略。

關(guān)鍵詞：新型鋰硫電池 設(shè)計 性能 研究

中圖分類號：TM912.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）03-0279-01

前言

鋰硫電池作為二次電池中使用頻率比較高的一款電池，由于其使用性能高、充放電速率快，因此被廣泛運用到相關(guān)的電氣系統(tǒng)中，除此之外對于鋰硫電池內(nèi)部材料問題的研究也是當(dāng)今重點研究的課題。

一、鋰硫電池

1.概述

鋰硫電池屬于二次電池中的一種，作為一種電能儲存設(shè)備在可再生能源中發(fā)揮著重要的作用。與傳統(tǒng)的鎮(zhèn)氮電池、鉛酸電池、銀絡(luò)電池等商業(yè)電源相比，鋰硫電池尤其是新型的鋰硫電池?fù)碛惺褂脡勖L、自放電效應(yīng)小、工作電壓比較高、使用時更加清潔環(huán)保無污染等優(yōu)點，同時以鋰離子電池作為可移動設(shè)備的儲備電源的技術(shù)不僅技術(shù)研究成果成熟而且取得了相當(dāng)成功的成效。

除此之外，與容量在120-200毫安左右的商業(yè)電源相比，鋰硫電池的實際能量密度可以進一步提高并且當(dāng)硫單質(zhì)與鋰離子之間進行完全反應(yīng)過程中，其實際能量密度幾乎可以達到1675毫安，是傳統(tǒng)鋰離子電池的5-8倍，但是由于受到其中的材料以及技術(shù)等方面的限制，可以提升的程度并不高，由此探索和研究新型能源具有極為重要的意義。

2.鋰硫電池

傳統(tǒng)的鋰硫電池一般是利用硫單質(zhì)作為正極的活性物質(zhì)，同時使用金屬鋰片作為負(fù)極，并且使用隔膜將正負(fù)極隔開。鋰硫電池一般使用醚類有機物作為電解液，其內(nèi)部進行的電化學(xué)充電循環(huán)反應(yīng)一般是經(jīng)過如下的一個流程：

首先，電池內(nèi)的首圈從放電開始，負(fù)極金屬鋰由于失去電子變成鋰離子，同時鋰離子在電勢作用下運動到正極或者負(fù)極與硫單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，進而與硫反應(yīng)得到硫化鋰。其次，由于其中的正負(fù)極之間產(chǎn)生的電勢差使得鋰離子能夠在正負(fù)極之間來后游動，并且對外產(chǎn)生放電電壓，同時利用電壓使得以上反應(yīng)能夠進行正逆向進行。

與其他的鋰離子電池相比，鋰硫電池尤其是新型鋰硫電池在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過程時十分復(fù)雜的，并且在這個充放電循環(huán)反應(yīng)過程中，會有中間產(chǎn)物逐步形成。但是目前對于鋰硫電池的研究的設(shè)計和性能的研究過程中，設(shè)計技術(shù)還并不完全成熟，還需要進一步的研究發(fā)展。

二、實驗問題與改進策略

1.鋰硫電池的實驗問題

鋰硫電池的概念早在1940年左右就被相關(guān)研究人員提出，并且在這個研究方向上進行了大量探索，對鋰硫電池進行一系列的改進，但是離能夠進行大批量商業(yè)生產(chǎn)仍有不小的差距。

其一，鋰硫電池正極的活性物質(zhì)如硫單質(zhì)等在通過電化學(xué)產(chǎn)物產(chǎn)生的硫化鋰等反應(yīng)物質(zhì)在常溫、室溫下一般為絕緣體，如果不經(jīng)過實際處理之后，無法在鋰硫電池內(nèi)部進行正常工作，發(fā)揮正常的效果，使得鋰硫電池在比較大的電流下充放電的性能相對理想狀態(tài)下比較差。

其二，硫單質(zhì)在進行電化學(xué)反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)化為硫化鋰過程中，會產(chǎn)生將近70%的氣體造成體積膨脹，破壞原先的正極結(jié)構(gòu)，造成電池的損壞。

其三，正極通過放電產(chǎn)生的硫化鋰產(chǎn)物不溶于電解液并且很難進行鋰離子的傳導(dǎo)，容易堵住電池正極鋰離子的傳輸通道，造成電池內(nèi)部的反應(yīng)遲緩，破壞電池內(nèi)部的正常反應(yīng)。

其四，鋰硫電池在進行工作產(chǎn)生的鋰多硫化物可溶于電解質(zhì)溶液，從而使得正極集流體上脫離電池使得電池的可逆容量嚴(yán)重降低，并且這些鋰多硫化物會在電池內(nèi)的電解質(zhì)溶液中來回進行游動造成穿梭現(xiàn)象，造成活性物質(zhì)不可逆的損失，進而產(chǎn)生電池內(nèi)的嚴(yán)重過充現(xiàn)象，造成電池內(nèi)部電解質(zhì)溶液的粘度過高，減緩離子擴散的速度。同時，若鋰多硫化物等可溶性物質(zhì)穿梭到負(fù)極與金屬鋰極板發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而產(chǎn)生電池內(nèi)部的放電現(xiàn)象，造成電池內(nèi)部的破壞，影響鋰硫電池性能的使用。

2.鋰硫電池的改進策略

通過上述對于鋰硫電池實驗問題分析可知，鋰硫電池一般存在硫的導(dǎo)電性能比較差、放電產(chǎn)物造成體積膨脹嚴(yán)重、產(chǎn)生的鋰多硫化物溶于電解液引起的穿梭效應(yīng)等問題。因此，對于其問題應(yīng)該采取相對應(yīng)措施進行解決。

其一，由于鋰硫電池內(nèi)的活性物質(zhì)硫單質(zhì)的導(dǎo)電性比較差，一般選擇在正極加入密度比較小的導(dǎo)電劑或者介質(zhì)如碳等，使得活性物質(zhì)的導(dǎo)電性能提高。

其二，針對電極進行電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的放電產(chǎn)物溶于電解質(zhì)溶液而造成的體積膨脹問題，主要有幾個解決方法。一是利用正極包覆硫結(jié)構(gòu)中留出足夠的空隙使得氣體能夠及時釋放，以應(yīng)對充放電過程中的體積膨脹，減輕由于電池正極結(jié)構(gòu)被破壞而造成活性物質(zhì)泄漏到電池里面去的問題。二是采用液態(tài)的鋰多硫化物而不是單純的硫單質(zhì)作為正極的活性反應(yīng)物質(zhì)，這是由于正極處產(chǎn)生體積膨脹問題正是由于發(fā)生在硫轉(zhuǎn)變?yōu)殇嚩嗔蚧镞@個過程中，直接使用鋰多硫化物可以避免出現(xiàn)體積膨脹狀況。同時鋰多硫化物也可以和電解質(zhì)溶液先發(fā)生反應(yīng)進行混合后再加入到電池中，降低由于固態(tài)活性反應(yīng)物質(zhì)造成的氣體膨脹問題，并且使用液態(tài)活性物質(zhì)電池的容量相比固態(tài)電池有所提高。

其三，同時進行電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的穿梭效應(yīng)也是影響鋰硫電池使用性能的關(guān)鍵問題之一?？v觀國內(nèi)外先進的科學(xué)材料，可以使用多孔復(fù)合材料與硫單質(zhì)相結(jié)合的方法，即將硫單質(zhì)儲存在多孔材料納米孔道中進行反應(yīng)，或者用其他材料將硫單質(zhì)包裹起來，利用材料的強吸附性防止鋰多硫化物溶于電解質(zhì)溶液而造成流失情況，進一步提高鋰硫電池的穩(wěn)定性。其中介孔碳由于其高導(dǎo)電性和多孔結(jié)構(gòu)是作為鋰硫電池內(nèi)的正極添加劑的最佳選擇。

三、結(jié)束語

對鋰硫電池進行優(yōu)化設(shè)計實際上就是將鋰硫電池進行電化學(xué)反應(yīng)過程中出現(xiàn)的問題，采取各種方法降低其出現(xiàn)情況如在正極區(qū)加入新型材料的添加劑，增強活性物質(zhì)的導(dǎo)電性。除此之外，由于一般采用硫單質(zhì)作為活性物質(zhì)在反應(yīng)過程中出現(xiàn)可溶物的穿梭現(xiàn)象等問題，可以采用新型材料將活性物質(zhì)包覆住，進而提高鋰硫電池的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]王宇暉，靳俊，郭戰(zhàn)勝，等.鋰硫電池放電過程的熱模擬[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2017（1）：85-93.

[2]盧海，袁艷，楊慶浩，等.鋰硫電池有機電解液研究現(xiàn)狀與展望[J].功能材料，2017，48（1）：1001-1013.

[3]王宇暉，靳俊，郭戰(zhàn)勝，等.鋰硫電池循環(huán)過程中變形演化的直接觀測[J].無機材料學(xué)報，2017，32（3）：247-251.

[4]衛(wèi)萌.鋰硫電池正極材料的設(shè)計、制備及其電化學(xué)性能研究[D].鄭州大學(xué)，2016.

[5]張強.全石墨烯正極結(jié)構(gòu)設(shè)計：更可靠的高性能鋰硫電池[J].物理化學(xué)學(xué)報，2016，32（12）：2825-2825.