Pin Lithium-sulfur là gì?

Pin lithium-ion (LiCo02) là loại khử độc điện tử, trong khi pin lithium-lưu huỳnh là loại oxy hóa khử 8 electron, vì vậy, pin lithium-lưu huỳnh có lý thuyết rằng chúng có dung lượng gấp 7-8 lần pin lithium-ion. Mặc dù pin lithium polymer đã được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm 3C, nhưng do mật độ năng lượng hạn chế, tức là tuổi thọ pin hạn chế, chúng cần được sạc thường xuyên, đây là một điều khá phiền phức. Cảm nhận trực quan nhất là sau khi đổi điện thoại thông minh, mọi người đều đang sạc hàng ngày, ngay cả kho báu sạc cũng không rời trạng thái. Xã hội ngày nay cần một loại pin lithium-ion mới với chi phí thấp, không gây ô nhiễm, hiệu suất ổn định, dung lượng riêng lớn và mật độ năng lượng cao để đáp ứng nhu cầu sử dụng pin lâu hơn và tốc độ sạc nhanh hơn.

Lịch sử phát triển của pin lithium-lưu huỳnh: Pin lithium-ion đã có lịch sử hơn 30 năm, và pin lithium-lưu huỳnh còn trẻ hơn. Năm 1962, Herbet và Ulam lần đầu tiên đề xuất việc sử dụng lưu huỳnh làm vật liệu catốt và peclorat kiềm làm chất điện phân.

Hệ thống lithium-sulphur ban đầu được nghiên cứu như một loại pin chính và thậm chí còn được thương mại hóa trong một thời gian, nhưng sau đó nó đã được thay thế bằng pin có thể sạc lại và bị tạm dừng. Năm 2009, Linda F. Nazar đã đề xuất một loại pin sạc thứ cấp lithium-lưu huỳnh trên Nature Materials, và sử dụng CMK-3 để đạt được dung lượng riêng cao 1320mAh / g. Kể từ đó, pin lithium-lưu huỳnh đã thực sự mở ra một chương phát triển.

Nguyên tắc của pin lithium-lưu huỳnh: điện cực dương của pin lithium-lưu huỳnh là lưu huỳnh hoặc vật liệu chứa lưu huỳnh, và điện cực âm là lithium. Điện áp trung bình là 2,1V. Về lý thuyết, hệ thống liti-lưu huỳnh (Li-S) có công suất riêng là 1672mAh / g và mật độ năng lượng là 2600Wh / kg. Đây là loại pin lithium ion thương mại truyền thống với LiCo02 làm điện cực dương (dung lượng cụ thể trên lý thuyết là 273,8mAh / g, mật độ năng lượng 360Wh / kg) khoảng 7 lần. So với pin lithium-ion thông thường, bản chất của quá trình phóng điện của pin lithium-lưu huỳnh không phải là quá trình khử nồng độ ion lithium đơn giản, mà là một quá trình oxy hóa khử kèm theo một số lượng lớn các sản phẩm trung gian. Trong quá trình phóng điện của pin phóng điện liti-lưu huỳnh, lưu huỳnh nguyên tố phản ứng với Li từ vòng mở vòng của S8 theo chu kỳ và sự chuyển đổi từ Li2S8 chuỗi dài thành Li2S chuỗi ngắn đi kèm với hai nền tảng phóng điện rõ ràng, khả năng phóng điện cao nền tảng là 2,45V—- 2,1V, quá trình có thể được coi là một lượng lớn chuyển đổi S8 thành S42- và phóng điện tiềm năng thấp là 2,1V-1,7V, quá trình này là một lượng lớn S42- thành S22- và S2 -. Mặt khác, các độ chuyển đổi khác nhau cũng tương ứng với các điện dung khác nhau.

Phương trình phản ứng phóng điện như sau:

Điện cực dương: S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

Điện cực âm: Li → Li++e-

Tổng phản ứng: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Pin lithium-ion thông thường là loại khử độc điện tử, còn pin lithium-lưu huỳnh là loại oxy hóa khử 8 electron, vì vậy chúng có dung lượng và mật độ năng lượng gấp 7-8 lần lý thuyết. Tương tự như pin lithium-ion truyền thống, pin lithium-lưu huỳnh bao gồm một điện cực dương, một điện cực âm, một bộ phân tách, một chất điện phân và một bộ phân tách. Do đó, pin lithium-sulfur được coi là giải pháp thay thế hứa hẹn nhất cho pin lithium-ion truyền thống và trở thành nguồn năng lượng mới cho thế hệ thiết bị lưu trữ năng lượng mới.

Vật liệu catốt lưu huỳnh là yếu tố chính hạn chế sự phát triển và ứng dụng của pin lithium-lưu huỳnh, vì vậy chúng tôi tập trung vào catốt lưu huỳnh. Hiện tại, cực âm lưu huỳnh của hệ liti-lưu huỳnh cũng có một số vấn đề cần giải quyết: hiệu ứng con thoi, dẫn điện kém và giãn nở thể tích.

1. Polysulfua hòa tan trong quá trình phóng điện (Li2Sx, 3 ＜ x ＜ 8), dẫn đến phản ứng không cân đối phức tạp và" hiệu ứng con thoi" ;, gây ra một lượng lớn quá trình tự phóng điện, làm giảm hiệu suất và chu trình Coulomb hiệu suất, và gây ra sự suy giảm năng lực không thể phục hồi;

2. Độ dẫn điện của lưu huỳnh nguyên tố và sản phẩm phóng điện liti sulfua thấp, độ dẫn điện của S (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), độ dẫn điện của Li2S / Li2S2 (~ 10-30S / cm), dẫn đến việc sử dụng lưu huỳnh chỉ Khoảng 50-70%.

3. Sự biến đổi từ trực thoi α-S (ρ1=2,03g / cm3) thành Li2S có cấu trúc nghịch đảo fluorit (ρ2=1,66g / cm3) có độ giãn nở thể tích lớn, phá hủy cấu trúc điện cực và ảnh hưởng đến sự ổn định chu kỳ.