《储能材料与器件分析测试技术》课件-锂硫电池

锂硫电池01锂硫电池产生背景02锂硫电池定义及工作原理03锂硫电池的优缺点04锂硫电池的改性策略01锂硫电池产生背景一、锂硫电池产生背景（一）能源与环境压力全球能源危机和环境问题加剧，人类亟需减少对化石燃料依赖，大力发展环境友好型新能源与高效储能系统，储能体系和电池技术随之快速发展。一、锂硫电池产生背景（二）传统电池的局限铅酸电池循环寿命短、对环境不友好等缺点；传统锂离子电池难以满足当前对高能量密度、长循环寿命和低储能成本的需求。一、锂硫电池产生背景（三）锂硫电池的优势基于多电子转化反应和轻元素，锂硫电池具备超高理论能量密度、材料价格低廉、环境友好等特点，被视为极具潜力的新型电池储能系统之一。一、锂硫电池产生背景（四）政策推动我国高度重视锂硫电池研发与推广，2017年四部委在《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中，明确指出，要积极推进锂硫电池等新体系电池的研发与工程化开发。02锂硫电池定义及工作原理二、锂硫电池定义及工作原理（一）什么是锂硫电池？锂硫电池是锂电池的一种，其以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675mAh/g和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的比容量(<150mAh/g)。锂硫电池是一种非常有前景的锂电池。二、锂硫电池定义及工作原理（二）锂硫电池工作原理锂硫电池是可充电电池体系，典型的锂硫电池一般采用高比容的单质硫（1675mAh/g）作为正极，高比容的锂金属（3860mAh/g）作为负极，采用醚类和脂类液体作为电解液（也可采用固态电解质），中间一般采用多孔隔膜，其平均放电电压约为2.15V。它的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。其电化学反应如下所示：二、锂硫电池定义及工作原理（二）锂硫电池工作原理锂硫电池在放电过程中，放电曲线上出现了两个放电平台2.3V（高平台）和2.1V（低平台），分别对应的是固态单质硫（S8）到液态长链多硫化锂（Li2Sx，4≤x≤8）；然后再进一步被还原到固态短链硫化锂（Li2S2/Li2S）的两步电化学还原反应过程。二、锂硫电池定义及工作原理（二）锂硫电池工作原理其中长链的多硫化物在电解液中有较高的溶解性，所以该过程电化学反应速率较快，而Li2S2和Li2S在电解液中几乎不溶解，反应速率较缓慢。在充电过程中Li2S经过中间多硫化物直接被氧化成S8，从而形成一个完整可逆的氧化还原反应。在充电过程中，锂离子移向负极，并在负极处还原成金属锂。03锂硫电池的优缺点三、锂硫电池的优缺点（一）优点其轻质的特性有利于电池总体能量密度的提高。优点重量轻三、锂硫电池的优缺点（一）优点锂硫电池使用高孔容石墨烯做为硫载体，一部分氧化石墨烯做为间隔层，高导电石墨烯做为集流体，并以全石墨烯基作为正极结构设计。高孔容石墨烯的使用让电极材料达到80wt%的硫含量与5mg/cm2的硫载量，使导电性能大大提高。优点导电性能好三、锂硫电池的优缺点（一）优点优点成本低、材料来源范围广。三、锂硫电池的优缺点（一）优点使用独具特色的桥接结构特点，创新性地对硫阴极进行了配备，使之有着更强的应力负荷及稳定性能且续航能力及稳定性有了极大幅度的提高。优点结构特点特殊，续航能力强，稳定性高三、锂硫电池的优缺点（二）缺点硫（S）单质与硫化锂（Li2S）的电导率极低（分别为5.0×10-30S·cm-1和1×10-13S·cm-1），且锂离子在Li2S晶体中的扩散系数仅为10-15cm2·s-1，导致电化学反应动力学缓慢、极化严重，造成电池倍率性能较差，限制高比容量发挥。电子绝缘性导致的反应动力学问题三、锂硫电池的优缺点（二）缺点锂硫电池在充放电过程中会发生复杂的多步氧化还原反应，伴随着大量的中间态多硫化物的生成，并且多硫化物会溶解在电解液中，部分扩散至负极后被还原为固态绝缘的Li2S2/Li2S，沉积在锂金属表面，导致锂负极腐蚀、钝化及活性物质流失，加剧电池容量衰减。多硫化锂引起的“穿梭效应”三、锂硫电池的优缺点（二）缺点硫和硫化锂的密度分别为2.07和1.66g·cm-3，在充放电过程中有高达79%的体积膨胀/收缩，这种膨胀会导致正极形貌和结构的改变，导致硫与导电骨架的脱离，造成容量衰减。活性物质体积膨胀导致的电极结构失效三、锂硫电池的优缺点（二）缺点金属锂负极由于其化学活性高，易与电解液发生副反应。而且在充放电过程中，随着金属锂脱/嵌不均匀沉积导致锂枝晶生长，进而会刺穿隔膜，引起电池的短路，造成安全隐患。另外，金属锂负极在充放电过程中会发生体积变化而造成粉化，降低了电池循环的稳定性。金属锂负极的安全性问题04锂硫电池的改性策略四、锂硫电池的改性策略针对锂硫电池面临的问题，科研工作者分别从正极材料选取和结构设计、电解液的优化、隔膜的修饰以及负极界面保护等方面入手，来实现锂硫电池的商业化应用。四、锂硫电池的改性策略（一）正极材料选取与结构设计采用与导电材料复合策略，如碳基材料、导电聚合物材料、金属氧（硫）化物等，以增强正极导电性，发挥硫的高理论比容量优势。四、锂硫电池的改性策略（二）电解液优化有机液体电解质：添加LiNO3等稳定添加剂，改善与金属锂负极反应生成的SEI膜均匀性，减少易燃气体产生及锂枝晶生长引发的短路风险。四、锂硫电池的改性策略（二）电解液优化固态复合电解质：采用聚合物电解质替代易燃液态电解质，利用其高离子导电性、界面稳定性及物理韧性，抑制锂枝晶形成，缓冲电极体积变化，提升安全性。四、锂硫电池的改性策略（三）隔膜修饰针对传统隔膜无法阻隔多硫化物扩散的问题，通过三类材料改性：选用兼具导电与物理吸附功能，吸附多硫化物并活化隔膜上的“死硫”沉淀，减少活性物质损失。碳材料（如碳黑、石墨烯等）四、锂硫电池的改性策略（三）隔膜修饰针对传统隔膜无法阻隔多硫化物扩散的问题，通过三类材料改性：通过涂覆、掺杂等方式修饰隔膜，利用化学作用限制多硫化物跨膜运输，其中无机材料涂覆CelgardPP隔膜是简单有效的工艺。无机材料（如金属氧化物）四、锂硫电池的改性策略（三）隔膜修饰针对传统隔膜无法阻隔多硫化物扩散的问题，通过三类材料改性：通过材料特性辅助阻挡或吸附多硫化物。聚合物材料四、锂硫电池的改性策略（四）负极界面保护围绕避免锂负极与电解液直接接触、减少副反应及锂枝晶问题采用三维集流体设计：