【《锂硫电池的概述》2000字】

锂硫电池的概述目录TOC\o"1-3"\h\u26561锂硫电池的概述 1160261.1锂硫电池发展历程 1263531.2锂硫电池工作原理 1318021.3锂硫电池面临的问题 31.1锂硫电池发展历程锂硫电池是一类通过锂和硫之间的可逆氧化还原过程进行化学能和电能转化的化学能源。早在1962年就开始了锂硫电池的研究，但是因为安全性和稳定性等方面的问题而陷入长时间停滞，而锂离子电池得到了迅猛发展。经过多年发展，锂离子电池的制备工艺日渐完善，但受限于其理论能量密度难以满足未来对储能的需求。因此，具有高理论能量密度的锂硫电池再次进入人们的视线并受到广泛关注[11]。1.2锂硫电池工作原理锂硫电池的工作原理主要是通过金属锂和单质硫之间的可逆氧化还原反应来实现[12]，总反应式为：虽然该反应看上去较为简单，但在实际的充放电过程中还存在许多步骤，一方面涉及多步电化学反应过程，会生成具有不同链长度的多硫化物[13]；另一方面，在正极形成的多硫化物会溶解到电解液中，其中一些高阶多硫化物一旦穿过隔膜到负极便会发生电化学还原过程，从而产生低阶多硫化物或者不溶性的Li2S2和Li2S[14,15]。溶解的多硫化物在两极之间来回迁移和反应，即为穿梭效应。该过程不仅消耗了正极的活性物质硫，腐蚀金属锂负极，而且形成的不溶性Li2S2和Li2S会沉积到金属锂表面，增大了电池的极化电压，从而加快了电池的容量衰减速率[16,17]。图1.2锂硫电池的充放电曲线图[18]图1.2中展现了锂硫电池的典型充放电曲线，在电池充放电的电化学反应过程中，S8分子形成了一系列可溶性多硫化物。该充放电曲线中出现的两个放电平台分别对应着固相S8分子到液相多硫化物再到固相Li2S2和Li2S的过程。基于正极在放电过程中活性物质的相态变化过程，大致划分为四个过程[18]。（1）从S8分子到Li2S8的还原过程，对应2.2~2.3V处较高的电压平台。由于长链多硫化物在电解液中具有较高的溶解性，因此该阶段反应过程具有较快的转化速率。该反应产生的Li2S8能够迅速地溶解在电解液中，从而使得正极变得疏松多孔进而使得电解液能够充分进入，表面硫的溶解会使得内部硫单质不断出现在电解液中，进而使硫活性物质的反应更加完全。 ①（2）从溶解的长链多硫化物Li2S8到低阶多硫化物的还原过程，对应第一电压平台的下降阶段，伴随着多硫化物的链长度缩短以及这些离子浓度的升高，电解液的黏度会逐渐增加直至该阶段结束。 ②（3）从低阶多硫化物到Li2S2和Li2S的还原过程，对应1.9~2.1V处的电压平台，该放电平台具有较大的跨度，贡献了硫正极中大部分的放电比容量。③ ④（4）Li2S2和Li2S的固固两相还原过程，对应第二电压平台较陡的下降阶段。由于Li2S2和Li2S的不溶性以及较差的导电性，该过程反应速率缓慢。⑤在以上四个反应过程中，前两个阶段产生易于溶解的多硫化物使其发生穿梭效应，导致电池放电容量的损失；第三阶段贡献了锂硫电池中正极的主要电化学比容量。锂硫电池充放电过程中发生的电化学反应同时也受到溶剂种类、多硫化物浓度和温度等各种条件的影响[19]。锂硫电池放电平台的平均工作电压中大约在2.2V（vs.Li/Li+）处，低于采用传统的锂离子电池，但是硫作为正极材料具有较高的理论比容量，是能量密度最高的固体正极材料[20]。1.3锂硫电池面临的问题尽管锂硫电池具有较高的理论比容量、较低的成本和对环境友好等诸多优点，但是想要开发更具实用性和安全性的商业锂硫电池，仍然面临着严峻的挑战。S8晶态的硫在25℃下密度为2.07gcm-3，而Li2S为1.66gcm-3，这些特性使得硫正极在充放电过程中会发生大约80%的体积变化，容易引起电极结构的坍塌[21,22]。另外，单质硫在25℃下的电导率为5×10-30Scm-1，Li2S也在10-30Scm-1量级，与钴酸锂相差26个数量级[23]。因为硫活性物质存在较差的电子和离子传导率，在放电过程中阻碍了材料内部硫的进一步锂化。长链多硫化物作为单质硫向Li2S转换过程中重要的中间产物，其溶解性会使得电池内部发生穿梭效应进而导致活性物质的损失[24]。在充分了解锂硫电池充放电过程中的反应历程和机理之后，我们可以推断出硫复合正极材料设计的关键所在：①电化学循环过程中基底材料对硫活性物质发生体积膨胀提供充足的空间；②基底材料需要具有良好的导电性，从而提高复合正极的电子和离子导率；③抑制多硫化物的穿梭效应。目前解决这些问题的主要策略包括：①将单质硫负载在具有多孔结构和导电骨架的炭材料上[10,25-28]；②通过在硫颗粒表面[29,30]、正极表面[31,32]或者多孔高分子隔膜面设置插层，通过物理限域和化学吸附协同作用将多硫化物限制在正极一侧[33-35]。炭材料的引入提高了复合正极材料的导电性，进而提升了电池的整体电子传输效率，有利于提高对活性物质的利用率；其多孔结构虽然能提供部分物理限域作用，但在多次循环累积大量多硫化物之后仍无法阻止其溶解和扩散。在正极表面的设计添加一个包覆层和隔膜面向正极一侧的插层虽然可以在一定程度上减缓多硫化物向负极的扩散速率，但同时也会减慢锂