鋰硫電池充放電工作原理

鋰硫電池充放電工作原理與傳統(tǒng)電池原理差不多，其正極材料一般由硫和高導電性材料復合而成，因為硫本身不導電，所以硫作為正極必須加導電劑，而且是高導電性的，這就降低了正極硫的能量密度（導電劑占了重量但不產(chǎn)生能量）；負極采用鋰片，這東西活性很高，作為負極沒話說，但用的時候注意安全，活性高往往意味這危險存在；然后是電解質(zhì)主要是一些鋰鹽溶液，電解液不同與鋰離子電池常用的酯類物質(zhì)，鋰硫一般用的都是醚類物質(zhì)，這里也是一個很講究的地方，電解液與正極會接觸，那么就涉及到硫及其正極產(chǎn)物會不會直接溶解在這個里面，這就造成電池循環(huán)性能的下降。

下面來看一下鋰硫電池充放電工作原理表現(xiàn)：

典型的鋰硫電池一般采用單質(zhì)硫作為正極，金屬鋰片作為負極，它的反應機理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機理，而是電化學機理。

從放電曲線來看，鋰硫電池存在兩個放電平臺，高電壓平臺2.4V左右，低電壓平臺2.1V左右，從這張圖還可以看到這個過程中存在很多的中間產(chǎn)物，Li2S8、Li2S6、Li2S4。這些中間產(chǎn)物往往就是礙事的，它們的存在給硫正極帶來很多的問題，如穿梭效應，溶解性的問題，而且最終的產(chǎn)物是電子絕緣體，這就降低了其反應的動力學速率，使電池的倍率性能下降，硫的密度比產(chǎn)物Li2S要大，也就是說Li2S比S堆起來更加蓬松，那么體積就不可避免的膨脹，這也是一個不可避免的問題。

在第一個放電平臺過程中：2.4—2.1V附近的放電平臺

對應S8的環(huán)狀結構變?yōu)镾n2-（3≤n≤7）離子的鏈狀結構，并與Li+結合生成Li2Sn。

在第二個放電平臺過程中：2.1—1.8V附近

對應Sn2-離子的鏈狀結構變?yōu)镾2-和S22-并與Li+結合生成Li2S2和Li2S，這個階段是鋰硫電池的主要放電區(qū)域。鋰硫電池放電位于2.5—2.05V電位區(qū)間時，對應單質(zhì)硫還原生成可溶的多硫化物及多硫化物的進一步還原，位于2.05—1.5V電位區(qū)間對應可溶的多硫化物還原生成硫化鋰固態(tài)膜，它覆蓋在導電碳基體表面。

充電時，硫電極中Li2S和Li2S2被氧化S8和Sm2-（6≤m≤7），并不能完全氧化成S8，該充電反應在充電曲線中對應2.5~2.4V附近的充電平臺。

鋰硫電池充放電工作原理化學方程式：

正極：S8+16Li+e﹣→8Li?S

負極：Li→Li﹢＋e﹣

總反應：4Li+nS→Li?SnLi?S

鋰硫電池能量密度：

普通鋰離子電池是單電子脫嵌，鋰硫電池是8電子氧化還原，因而有7-8倍的理論容量和能量密度。

根據(jù)單位質(zhì)量的單質(zhì)硫完全變?yōu)镾2-所能提供的電量可得出硫的理論放電質(zhì)量比容量為1675mAh/g，同理可得出單質(zhì)鋰的理論放電質(zhì)量比容量為3860mAh/g。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當硫與鋰完全反應生成硫化鋰（Li2S）時。相應鋰硫電池的理論放電質(zhì)量比能量為2600Wh/kg。

鋰硫電池優(yōu)缺點：

目前，鋰硫體系的硫正極也存在幾個問題需要解決：穿梭效應，導電性差，體積膨脹。

1、放電過程中多硫化物溶解（Li2Sx，3<x<8），產(chǎn)生復雜的歧化反應，發(fā)生“穿梭效應”，造成大量自放電，庫倫效率和循環(huán)性能降低，出現(xiàn)不可逆容量衰減；

2、單質(zhì)硫與放電產(chǎn)物硫化鋰的電導率低，S電導率（5×10-30S/cm，25%C），Li2S/Li2S2電導率（~10-30S/cm），造成疏的利用率只有50-70%左右。

3、而且從斜方晶系a-S（p1=2.03g/cm3）轉(zhuǎn)化為反螢石結構的Li2S（p2=1.66g/cm3），體積膨脹大，破壞電極結構，影響了循環(huán)穩(wěn)定性。