锂硫电池进展.ppt

锂硫电池的研究现状分析
锂离子电池不足
容量
锂离子电池的能量密度一般为160-170mAh/g,常用负极材料石墨的理论能量密度为372mAh/g,达不到EVs的需求
安全性
商用锂离子电池正极LiCoO2的不安全性
成本
LiCoO2的成本较高
锂电池应用
Portable electronic devices
Electrical vehicles(EVs)、PHEVs、HEVs
Energy storage
动力电池发展现状
化学体系
负极/正极
理论容量Ah/kg
实际容量Ah/kg
电位 vs Li+/Li
开路电压
氧化钴锂(Sanyo,Samsung等)
LiC6/LiCoO2
370/~295
<300/160+
100mV/

镍基材料(Johnson Control,Salt)
LiC6/LiNixCoyAlz
370/~300
<300/~180
100mV/

尖晶石结构氧化锰锂(LG Chem)
LiC6/LiMn2O4
370/148
<300/~120
100mV/

钛酸锂(Enerdel,Toshiba)
Li4Ti5O12/LiMnO2
233/148
~170/120


磷酸亚铁锂(A123)
LiC6/LiFePO4
370/178
<300/160
100mV/

锂硫电池
优势
比容量高,理论比容量为1685mAh/g
硫成本低、无毒
比能量高,与锂搭配的电池理论比能量为2600Wh/kg
硫安全性好
不足
单质硫是绝缘体,
正负极材料体积变化大循环性不好
(vs. Li+/Li)
中间产物多硫化锂溶于电解质,向负极迁移,造成活性物质损失
锂负极安全性不够好
锂硫电池
2010年7月,Sion Power的锂硫电池则应用于美国无人驾驶飞机动力源,表现引人注目,无人机白天靠太阳能电池充电,晚上放电提供动力,创造了连续飞行14天的纪录
锂硫电池的不足
锂支晶:锂的电化学沉积速率(i0=~8*10-4A/cm2)远大于锂离子的扩散传输速率(D=~ 4×10-6 cm2·s-1),故锂电极受扩散控制,特征表现为产生锂支晶
不稳定的SEI膜:在锂硫电池中,多硫化物与锂产生SEI膜,由于反应复杂性,SEI膜不稳定,影响了锂电极的稳定性能。硫化物阴离子不仅可与溶解硫或短链聚硫离子反应生成易溶性多硫化物,也可发生电化学还原生成 Li2S 沉淀(2Li + Li2Sx → Li2Sx–1 +Li2S↓),而 Li2S 沉淀又可能与溶液中聚硫离子生成多硫化物(Li2S + 2 Li2Sx → Li2Sx–1 + Li2Sx+1)
体积变化较大:硫的密度()较Li2S()高出约20%,充放电过程中产生收缩与膨胀
穿梭效应:正极的中间产物长链聚硫离子溶解扩散至负极,在负极表面还原生成短链聚硫离子,后者又扩散至正极,在充电时被氧化成长链聚硫离子,这个过程消耗了充放电电量,限制了锂硫两极的电化学效率。
电位较低
硫是绝缘体
锂硫电池改性研究
改性研究
含硫复合材料
金属二元硫化物
有机硫化合物
硫/纳米金属氧化物
硫碳复合材料
硫碳纳米管复合材料
硫介孔碳复合材料
硫石墨烯复合材料
其他硫碳复合材料等
负极保护
镀膜或形成SEI膜
电解液
固态电解质或离子液体
基于锂硫的新体系
替代Li金属