新型鋰硫電池的設計與性能研究

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重降低，鋰硫電池可以進行重復使用充電，因此備受各方關注。本文主要對新型鋰硫電池的設計及性能進行了研究，并提出了幾點改進策略。

關鍵詞：新型鋰硫電池 設計 性能 研究

中圖分類號：TM912.9 文獻標識碼：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的電氣系統中，除此之外對于鋰硫電池內部材料問題的研究也是當今重點研究的課題。

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備在可再生能源中發揮著重要的作用。與傳統的鎮氮電池、鉛酸電池、銀絡電池等商業電源相比，鋰硫電池尤其是新型的鋰硫電池擁有使用壽命長、自放電效應小、工作電壓比較高、使用時更加清潔環保無污染等優點，同時以鋰離子電池作為可移動設備的儲備電源的技術不僅技術研究成果成熟而且取得了相當成功的成效。

除此之外，與容量在120-200毫安左右的商業電源相比，鋰硫電池的實際能量密度可以進一步提高并且當硫單質與鋰離子之間進行完全反應過程中，其實際能量密度幾乎可以達到1675毫安，是傳統鋰離子電池的5-8倍，但是由于受到其中的材料以及技術等方面的限制，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

傳統的鋰硫電池一般是利用硫單質作為正極的活性物質，同時使用金屬鋰片作為負極，并且使用隔膜將正負極隔開。鋰硫電池一般使用醚類有機物作為電解液，其內部進行的電化學充電循環反應一般是經過如下的一個流程：

首先，電池內的首圈從放電開始，負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極與硫單質發生反應，進而與硫反應得到硫化鋰。其次，由于其中的正負極之間產生的電勢差使得鋰離子能夠在正負極之間來后游動，并且對外產生放電電壓，同時利用電壓使得以上反應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生電化學反應過程時十分復雜的，并且在這個充放電循環反應過程中，會有中間產物逐步形成。但是目前對于鋰硫電池的研究的設計和性能的研究過程中，設計技術還并不完全成熟，還需要進一步的研究發展。

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生產仍有不小的差距。

其一，鋰硫電池正極的活性物質如硫單質等在通過電化學產物產生的硫化鋰等反應物質在常溫、室溫下一般為絕緣體，如果不經過實際處理之后，無法在鋰硫電池內部進行正常工作，發揮正常的效果，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下比較差。

其二，硫單質在進行電化學反應過程中轉化為硫化鋰過程中，會產生將近70%的氣體造成體積膨脹，破壞原先的正極結構，造成電池的損壞。

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

其四，鋰硫電池在進行工作產生的鋰多硫化物可溶于電解質溶液，從而使得正極集流體上脫離電池使得電池的可逆容量嚴重降低，并且這些鋰多硫化物會在電池內的電解質溶液中來回進行游動造成穿梭現象，造成活性物質不可逆的損失，進而產生電池內的嚴重過充現象，造成電池內部電解質溶液的粘度過高，減緩離子擴散的速度。同時，若鋰多硫化物等可溶性物質穿梭到負極與金屬鋰極板發生化學反應，進而產生電池內部的放電現象，造成電池內部的破壞，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電性能比較差、放電產物造成體積膨脹嚴重、產生的鋰多硫化物溶于電解液引起的穿梭效應等問題。因此，對于其問題應該采取相對應措施進行解決。

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

其二，針對電極進行電化學反應過程中產生的放電產物溶于電解質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構中留出足夠的空隙使得氣體能夠及時釋放，以應對充放電過程中的體積膨脹，減輕由于電池正極結構被破壞而造成活性物質泄漏到電池里面去的問題。二是采用液態的鋰多硫化物而不是單純的硫單質作為正極的活性反應物質，這是由于正極處產生體積膨脹問題正是由于發生在硫轉變為鋰多硫化物這個過程中，直接使用鋰多硫化物可以避免出現體積膨脹狀況。同時鋰多硫化物也可以和電解質溶液先發生反應進行混合后再加入到電池中，降低由于固態活性反應物質造成的氣體膨脹問題，并且使用液態活性物質電池的容量相比固態電池有所提高。

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

三、結束語

對鋰硫電池進行優化設計實際上就是將鋰硫電池進行電化學反應過程中出現的問題，采取各種方法降低其出現情況如在正極區加入新型材料的添加劑，增強活性物質的導電性。除此之外，由于一般采用硫單質作為活性物質在反應過程中出現可溶物的穿梭現象等問題，可以采用新型材料將活性物質包覆住，進而提高鋰硫電池的穩定性。

參考文獻

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