リチウム硫黄電池の充電と放電の動作原理

リチウム硫黄電池の紹介

リチウム硫黄電池は、リチウムイオン電池、燃料電池、空気電池などとは異なります。これは、最も近い原理と従来の電池原理を備えた電池です。カソード材料は、一般に硫黄と高導電性材料で構成されています。主に硫黄自体が導電性ではないため、上図の黄色と黒の点は硫黄と炭素の混合物であるため、正極としての硫黄に導電剤を添加する必要があり、導電性が高いため、正極の硫黄。エネルギー密度（導電剤は重量を占めますが、エネルギーを生成しません）;負極は高活性のリチウムフレークを使用しています。負極として言うことはありませんが、使用する場合は安全に注意してください。高い活動は、しばしばこの危険が存在することを意味します。電解質は主にいくつかのリチウム塩溶液、リチウムイオン電池で一般的に使用される電解質とエステル、リチウムと硫黄は一般的にエーテルで使用されます、ここでも非常に特別な場所です、電解質は正極と接触します、そしてそれは含まれます硫黄および正極生成物がこれに直接溶解するかどうか。これにより、バッテリーサイクルのパフォーマンスが低下します。とセパレータ。

リチウム硫黄電池の充電および放電性能を見てみましょう。

放電曲線から、リチウム硫黄電池用の2つの放電プラットフォームがあります。高電圧プラットフォームは約2.4V、低電圧プラットフォームは約2.1Vですが、容量が非常に大きいため、1000 + mAh / gになりやすいです。この写真からもわかります。このプロセスには、Li2S8、Li2S6、Li2S4という多くの中間体があります。 。これらの中間体はしばしば邪魔になり、それらの存在はシャトル効果、溶解性の問題などの硫黄正極に多くの問題をもたらし、最終生成物は反応の速度を低下させる電子絶縁体であり、バッテリーを作ります速度性能が低下し、硫黄の密度が製品Li2Sよりも大きくなります。つまり、Li2SはSよりもふわふわであるため、体積が必然的に拡大します。これも避けられない問題です。

ここで、リチウム硫黄電池で発生する問題を理解できるはずです。現在の研究は基本的にこれらの問題に焦点を合わせており、高いエネルギー密度を達成し、正のSの含有量を改善し、サイクルの安定性と安全性を高めています。ちなみに、この研究の過程で、機器の損傷は非常に大きく、傷つけることはできません。

リチウム硫黄電池の充電と放電の動作原理

典型的なリチウム硫黄電池は、一般に、正極として元素硫黄を使用し、負極としてリチウム金属板を使用します。反応機構はリチウムイオン電池のイオン脱インターカレーション機構とは異なりますが、電気化学的機構です。

リチウム硫黄電池は、正の反応物質として硫黄を使用し、負極としてリチウムを使用します。放電が負の場合、負極はリチウムに反応し、電子は失われてリチウムイオンになります。正極は硫黄と反応してリチウムイオンや電子と反応し、硫化物を形成します。正極と負極の電位差は、リチウム硫黄電池から供給される放電電圧です。印加電圧の作用下で、リチウム硫黄電池の正極と負極が逆に反応します。これが充電プロセスです。 S2-が供給できる電気量に完全に変化した元素硫黄の単位質量によると、硫黄の理論排出質量比は1675mAh / gです。同様に、元素リチウムの理論的な放電質量比は3860 mAh / gです。硫黄がリチウムと完全に反応して硫化リチウム（Li2S）を形成する場合、リチウム硫黄電池の理論放電電圧は2.287Vです。対応するリチウム硫黄電池の理論的な放電質量比エネルギーは2600Wh / kgです。

硫黄電極の充放電反応は複雑であり、2013年現在、充放電反応で硫黄電極が生成する中間生成物についての明確な理解はありません。リチウム負極と硫黄正極の充放電反応は式（1-1）から式（1-4）のようになり、硫黄電極の放電過程は主に2つのステップに対応する2つのステップで構成されます。放電プラットフォーム。上2.4-2.1V近傍放電に対応Li2Snを形成する式Sn2-の鎖状構造の（1-2）に対応する（3≤N≤7）S8の環構造中にイオンとLi +と結合排出曲線プラットフォーム。 Sn2-イオンに対応する式（1-3）の鎖構造はS2-およびS22-になり、Li +と結合してLi2S2およびLi2Sを形成します。これは、放電曲線の2.1〜1.8V付近のより長い放電プラットフォームに対応します。 、リチウム硫黄電池の主放電領域。 YuanLixia etal。リチウム硫黄電池の硫黄正極の電気化学反応過程を研究した。彼らは、放電中の2.5〜2.05Vの電位範囲は、元素硫黄の還元による可溶性ポリサルファイドおよびポリサルファイドの形成に対応し、2.05〜1.5Vの電位間隔は、可溶性ポリサルファイドの還元による硫化リチウム固体膜の形成に対応すると考えています。導電性カーボン基板の表面を覆っています。充電中、硫黄電極でLi2SとLi2S2はS8とSm2-を（6≤M≤7）酸化され、そして完全S8に酸化することができません。充電反応は、充電曲線の2.5〜2.4V付近の充電プラットフォームに対応します。

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