鋰硫電池

　　1、充放電原理

　　鋰硫電池以硫?yàn)檎龢O反應(yīng)物質(zhì)，以鋰為負(fù)極。放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子，正極反應(yīng)為硫與鋰離子及電子反應(yīng)生成硫化物，正極和負(fù)極反應(yīng)的電勢差即為鋰硫電池所提供的放電電壓。在外加電壓作用下，鋰硫電池的正極和負(fù)極反應(yīng)逆向進(jìn)行，即為充電過程。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1675 mAh/g，同理可得出單質(zhì)鋰的理論放電質(zhì)量比容量為3860 mAh/g。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當(dāng)硫與鋰完全反應(yīng)生成硫化鋰（Li2S）時(shí)。相應(yīng)鋰硫電池的理論放電質(zhì)量比能量為2600 Wh/kg。

　　硫電極的充電和放電反應(yīng)較復(fù)雜，截止2013年對硫電極在充電和放電反應(yīng)中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物還沒有明確的認(rèn)識。鋰負(fù)極與硫正極的充放電反應(yīng)如式（1-1）至式（1-4）所示，硫電極的放電過程主要包括兩個(gè)步驟，分別對應(yīng)兩個(gè)放電平臺。式（1-2）對應(yīng)S8的環(huán)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)镾n2-（3≤n≤7）離子的鏈狀結(jié)構(gòu)，并與Li+結(jié)合生成Li2Sn，該反應(yīng)在放電曲線上對應(yīng)2.4—2.1V附近的放電平臺。式（1-3）對應(yīng)Sn2-離子的鏈狀結(jié)構(gòu)變?yōu)镾2-和S22-并與Li+結(jié)合生成Li2S2和Li2S，該反應(yīng)對應(yīng)放電曲線中2.1—1.8V附近較長的放電平臺，該平臺是鋰硫電池的主要放電區(qū)域。Yuan Lixia等人研究了鋰硫電池中硫正極的電化學(xué)反應(yīng)過程。他們認(rèn)為放電時(shí)位于2.5—2.05V電位區(qū)間對應(yīng)單質(zhì)硫還原生成可溶的多硫化物及多硫化物的進(jìn)一步還原，位于2.05—1.5V電位區(qū)間對應(yīng)可溶的多硫化物還原生成硫化鋰固態(tài)膜，它覆蓋在導(dǎo)電碳基體表面。充電時(shí)，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(yīng)在充電曲線中對應(yīng)2.5—2.4V附近的充電平臺。

　　2、存在的問題

　　鋰硫電池主要存在三個(gè)主要問題：1、鋰多硫化合物溶于電解液；2、硫作為不導(dǎo)電的物質(zhì)，導(dǎo)電性非常差，不利于電池的高倍率性能；3、硫在充放電過程中，體積的擴(kuò)大縮小非常大，有可能導(dǎo)致電池?fù)p壞

　　3、解決方法

　　主要的解決方法從電解液和正極材料兩個(gè)方面入手。第一是電解液方面，主要用醚類的電解液作為電池的電解液，電解液中加入一些添加劑，可以非常有效的緩解鋰多硫化合物的溶解問題。第二是正極材料方面，主要是把硫和碳材料復(fù)合，或者把硫和有機(jī)物復(fù)合，可以解決硫的不導(dǎo)電和體積膨脹問題。