新型锂硫电池的设计与性能研究

李杨

摘 要： 锂硫电池是近年来使用频率比较高的一种电池，相对于石油天然气等不可再生资源储存量的严重降低，锂硫电池可以进行重复使用充电，因此备受各方关注。本文主要对新型锂硫电池的设计及性能进行了研究，并提出了几点改进策略。

关键词：新型锂硫电池 设计 性能 研究

中图分类号：TM912.9 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）03-0279-01

前言

锂硫电池作为二次电池中使用频率比较高的一款电池，由于其使用性能高、充放电速率快，因此被广泛运用到相关的电气系统中，除此之外对于锂硫电池内部材料问题的研究也是当今重点研究的课题。

一、锂硫电池

1.概述

锂硫电池属于二次电池中的一种，作为一种电能储存设备在可再生能源中发挥着重要的作用。与传统的镇氮电池、铅酸电池、银络电池等商业电源相比，锂硫电池尤其是新型的锂硫电池拥有使用寿命长、自放电效应小、工作电压比较高、使用时更加清洁环保无污染等优点，同时以锂离子电池作为可移动设备的储备电源的技术不仅技术研究成果成熟而且取得了相当成功的成效。

除此之外，与容量在120-200毫安左右的商業电源相比，锂硫电池的实际能量密度可以进一步提高并且当硫单质与锂离子之间进行完全反应过程中，其实际能量密度几乎可以达到1675毫安，是传统锂离子电池的5-8倍，但是由于受到其中的材料以及技术等方面的限制，可以提升的程度并不高，由此探索和研究新型能源具有极为重要的意义。

2.锂硫电池

传统的锂硫电池一般是利用硫单质作为正极的活性物质，同时使用金属锂片作为负极，并且使用隔膜将正负极隔开。锂硫电池一般使用醚类有机物作为电解液，其内部进行的电化学充电循环反应一般是经过如下的一个流程：

首先，电池内的首圈从放电开始，负极金属锂由于失去电子变成锂离子，同时锂离子在电势作用下运动到正极或者负极与硫单质发生反应，进而与硫反应得到硫化锂。其次，由于其中的正负极之间产生的电势差使得锂离子能够在正负极之间来后游动，并且对外产生放电电压，同时利用电压使得以上反应能够进行正逆向进行。

与其他的锂离子电池相比，锂硫电池尤其是新型锂硫电池在发生电化学反应过程时十分复杂的，并且在这个充放电循环反应过程中，会有中间产物逐步形成。但是目前对于锂硫电池的研究的设计和性能的研究过程中，设计技术还并不完全成熟，还需要进一步的研究发展。

二、实验问题与改进策略

1.锂硫电池的实验问题

锂硫电池的概念早在1940年左右就被相关研究人员提出，并且在这个研究方向上进行了大量探索，对锂硫电池进行一系列的改进，但是离能够进行大批量商业生产仍有不小的差距。

其一，锂硫电池正极的活性物质如硫单质等在通过电化学产物产生的硫化锂等反应物质在常温、室温下一般为绝缘体，如果不经过实际处理之后，无法在锂硫电池内部进行正常工作，发挥正常的效果，使得锂硫电池在比较大的电流下充放电的性能相对理想状态下比较差。

其二，硫单质在进行电化学反应过程中转化为硫化锂过程中，会产生将近70%的气体造成体积膨胀，破坏原先的正极结构，造成电池的损坏。

其三，正极通过放电产生的硫化锂产物不溶于电解液并且很难进行锂离子的传导，容易堵住电池正极锂离子的传输通道，造成电池内部的反应迟缓，破坏电池内部的正常反应。

其四，锂硫电池在进行工作产生的锂多硫化物可溶于电解质溶液，从而使得正极集流体上脱离电池使得电池的可逆容量严重降低，并且这些锂多硫化物会在电池内的电解质溶液中来回进行游动造成穿梭现象，造成活性物质不可逆的损失，进而产生电池内的严重过充现象，造成电池内部电解质溶液的粘度过高，减缓离子扩散的速度。同时，若锂多硫化物等可溶性物质穿梭到负极与金属锂极板发生化学反应，进而产生电池内部的放电现象，造成电池内部的破坏，影响锂硫电池性能的使用。

2.锂硫电池的改进策略

通过上述对于锂硫电池实验问题分析可知，锂硫电池一般存在硫的导电性能比较差、放电产物造成体积膨胀严重、产生的锂多硫化物溶于电解液引起的穿梭效应等问题。因此，对于其问题应该采取相对应措施进行解决。

其一，由于锂硫电池内的活性物质硫单质的导电性比较差，一般选择在正极加入密度比较小的导电剂或者介质如碳等，使得活性物质的导电性能提高。

其二，针对电极进行电化学反应过程中产生的放电产物溶于电解质溶液而造成的体积膨胀问题，主要有几个解决方法。一是利用正极包覆硫结构中留出足够的空隙使得气体能够及时释放，以应对充放电过程中的体积膨胀，减轻由于电池正极结构被破坏而造成活性物质泄漏到电池里面去的问题。二是采用液态的锂多硫化物而不是单纯的硫单质作为正极的活性反应物质，这是由于正极处产生体积膨胀问题正是由于发生在硫转变为锂多硫化物这个过程中，直接使用锂多硫化物可以避免出现体积膨胀状况。同时锂多硫化物也可以和电解质溶液先发生反应进行混合后再加入到电池中，降低由于固态活性反应物质造成的气体膨胀问题，并且使用液态活性物质电池的容量相比固态电池有所提高。

其三，同时进行电化学反应过程中产生的穿梭效应也是影响锂硫电池使用性能的关键问题之一。纵观国内外先进的科学材料，可以使用多孔复合材料与硫单质相结合的方法，即将硫单质储存在多孔材料纳米孔道中进行反应，或者用其他材料将硫单质包裹起来，利用材料的强吸附性防止锂多硫化物溶于电解质溶液而造成流失情况，进一步提高锂硫电池的稳定性。其中介孔碳由于其高导电性和多孔结构是作为锂硫电池内的正极添加剂的最佳选择。

三、结束语

对锂硫电池进行优化设计实际上就是将锂硫电池进行电化学反应过程中出现的问题，采取各种方法降低其出现情况如在正极区加入新型材料的添加剂，增强活性物质的导电性。除此之外，由于一般采用硫单质作为活性物质在反应过程中出现可溶物的穿梭现象等问题，可以采用新型材料将活性物质包覆住，进而提高锂硫电池的稳定性。

参考文献

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