锂硫电池关键材料改性的研究进展

李 红,徐 强,余劲鹏,桑 林

(1.天津大学化工学院,天津 300072;2.中国电子科技集团公司第十八研究所,天津 300381)

单质硫的理论比容量为1 675 mAh/g,相比于锂离子电池的常见正极材料(见表1),来源丰富、价格便宜且对环境友好,与金属锂组成锂硫电池,理论比能量达2 600 Wh/kg,相当于锂离子电池的5倍。

表1 锂离子电池常用正极材料的性能参数Table 1 Performance parameters of common cathode materials for Li-ion battery

与基于嵌入式反应的锂离子电池不同,锂硫电池的工作原理是Li+与单质硫可逆反应生成多硫化物,它不受限于Li+的嵌入数量,因而容量高[1]。有人将锂硫电池应用于无人飞机驱动电源,无人机白天由太阳能电池提供动力并向锂硫电池充电,晚上由锂硫电池放电提供动力,实验电池的能量密度可达500 Wh/kg,飞机可连续飞行14 d[2]。目前,锂硫电池存在的问题主要有[3]:①室温下单质硫(S8)是电子和离子绝缘体(电导率为2.5×10-30S/cm),作为电极活性材料,活化困难;②S8在常见有机电解液中的浸润性差,使电池活性物质无法与电解质接触并完成电化学反应,活性物质利用率低;③放电过程产生的中间产物易溶于有机电解液中,产生“穿梭效应”,造成正极活性物质损失,并腐蚀锂负极;④放电产物Li2S2和Li2S会从电解液中沉淀析出,团聚在硫正极表面,形成不可逆容量并阻碍活性物质与电解质间的接触;⑤负极金属锂表面不均匀,可能生成锂枝晶,导致安全性问题,另外,充放电过程中,部分锂会失活,成为不可逆的死锂。

本文作者针对上述问题,分别对硫正极、电解液和锂负极的改性研究进展进行了综述。……