Mis on liitium-väävlipatarei?

Liitiumioonakud (LiCo02) on ühe elektroniga deinterkalatsioon, liitium-väävlipatareid aga 8-elektronised redoksid, seega on liitium-väävlipatareidel teooria, et nende maht on 7–8 korda suurem kui liitiumioonakuil. Kuigi polümeerseid liitiumakusid on 3C toodetes laialdaselt kasutatud, tuleb piiratud energiatiheduse ehk piiratud aku kestvuse tõttu neid sageli laadida, mis on tülikas asi. Kõige intuitiivsem tunne on see, et pärast nutitelefoni vahetamist laadivad kõik iga päev ja isegi laadimisaare ei lahku riigist. Tänapäeva ühiskond vajab uut tüüpi liitium-ioonakuid, millel on madalam kulu, reostus puudub, stabiilne jõudlus, suur erimaht ja suur energiatihedus, et rahuldada pikema aku kasutusaega ja kiiremat laadimiskiirust.

Liitium-väävlipatareide arengulugu: liitiumioonakude ajalugu on olnud üle 30 aasta ja liitium-väävlipatareid on nooremad. 1962. aastal tegid Herbet ja Ulam esmakordselt ettepaneku kasutada väävlit katoodimaterjalina ja leeliselist perkloraati elektrolüüdina.

Varajast liitium-väävlisüsteemi uuriti esmase patareina ja mõnda aega isegi turustati, kuid hiljem asendati see uuesti laetavate patareidega ja pandi ootele. 2009. aastal pakkus Linda F. Nazar Nature Materialsile välja liitium-väävliga sekundaarse laetava aku ja kasutas CMK-3 kõrge erimahu 1320mAh / g saavutamiseks. Sellest ajast alates on liitium-väävlipatareid tõepoolest avanud peatüki arengus.

Liitium-väävlipatarei põhimõte: liitium-väävlipatarei positiivne elektrood on väävlit või väävlit sisaldav materjal ja negatiivne elektrood on liitium. Keskmine pinge on 2,1 V. Teoreetiliselt on liitium-väävlisüsteemi (Li-S) erivõimsus 1672mAh / g ja energiatihedus 2600Wh / kg. See on traditsiooniline kaubanduslik liitiumioonaku, mille positiivse elektroodina on LiCo02 (teoreetiline erivõimsus 273,8mAh / g, energiatihedus 360Wh / kg) umbes 7 korda. Võrreldes tavaliste liitiumioonakudega ei ole liitium-väävlipatareide tühjenemise olemus lihtne liitiumioonide deinterkalatsioon, vaid redoksprotsess, millega kaasneb suur hulk vahesaadusi. Liitium-väävli-tühjenduspatarei tühjendusprotsessi käigus reageerib elementaalväävel tsüklilise S8 rõnga avausest saadud Li-ga ja pika ahelaga Li2S8 üleminekuks lühikese ahelaga Li2S-ga teisendamisele kaasnevad kaks ilmset tühjendusplatvormi, suure potentsiaalse tühjenemisega platvorm on 2,45 V - 2,1 V, protsessi võib pidada suureks S8-st S42-muundamiseks ja madala potentsiaaliga tühjenemine on 2,1 V-1,7 V, see protsess on suur kogus S42-st S22-ks ja S2-ks -. Teiselt poolt vastavad erinevad teisendusastmed ka erinevatele mahtuvustele.

Tühjendusreaktsiooni võrrand on järgmine:

Positiivne elektrood: S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

Negatiivne elektrood: Li → Li++e-

Reaktsioon kokku: 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

Tavalised liitiumioonakud on ühe elektroni deinterskalatsioon ja liitium-väävlipatareid 8-elektronredoksid, seega on nende teoreetiline võimsus ja energiatihedus 7–8 korda suurem. Sarnaselt traditsiooniliste liitiumioonakudega koosnevad liitium-väävlipatareid positiivsest elektroodist, negatiivsest elektroodist, separaatorist, elektrolüüdist ja separaatorist. Seetõttu peetakse liitium-väävlipatareisid kõige perspektiivikamateks alternatiivideks traditsioonilistele liitium-ioonakudele ja neist saab uue energiaallika uue põlvkonna energiasalvestusseadmetele.

Väävelkatoodimaterjalid on võtmetegur, mis piirab liitium-väävlipatareide väljatöötamist ja rakendamist, seetõttu keskendume väävlikatoodidele. Praegu on liitium-väävlisüsteemi väävlikatoodil ka mitu lahendamist vajavat probleemi: süstikuefekt, halb juhtivus ja mahu laienemine.

1. Polüsulfiidid lahustuvad tühjendusprotsessi käigus (Li2Sx, 3 × x ＜ 8), mille tulemuseks on keeruline ebaproportsionaalsuse reaktsioon ja&"shuttle effect GG", mis põhjustab suures koguses isetühjenemist, vähendades Coulombi efektiivsust ja tsüklit jõudlust ja põhjustab pöördumatut võimsuse halvenemist;

2. Elementväävli ja väljalasketoode liitium sulfiidi juhtivus on madal, S juhtivus (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), Li2S / Li2S2 juhtivus (~ 10-30S / cm), mille tulemuseks on ainult väävli kasutamine Umbes 50-70%.

3. Üleminek ortorombilisest α-S-st (ρ1=2,03g / cm3) pöördfluoriidistruktuuriga Li2S-iks (ρ2=1,66g / cm3) on suure mahupaisumisega, hävitab elektroodi struktuuri ja mõjutab tsükli stabiilsust.