리튬-황 배터리 란?

리튬-이온 배터리 (LiCo02)는 단 전자 디 인터 칼 레이션이고 리튬-황 배터리는 8- 전자 산화 환원이므로 리튬-황 배터리는 리튬-이온 배터리 용량의 7-8 배라는 이론을 가지고 있습니다. 폴리머 리튬 배터리는 3C 제품에 널리 사용되고 있지만 에너지 밀도, 즉 배터리 수명이 제한되어 자주 충전해야하는 번거로운 일입니다. 가장 직관적 인 느낌은 스마트 폰을 교체 한 후 모두가 매일 충전하고 있으며 충전 보물조차도 상태를 떠나지 않는다는 것입니다. 오늘날 사회는 더 긴 배터리 수명과 더 빠른 충전 속도에 대한 요구를 충족하기 위해 저비용, 무공해, 안정적인 성능, 큰 비 용량 및 높은 에너지 밀도를 갖춘 새로운 유형의 리튬 이온 배터리가 필요합니다.

리튬-황 배터리 개발 역사 : 리튬-이온 배터리는 30 년 이상의 역사를 가지고 있으며 리튬-황 배터리는 더 젊습니다. 1962 년에 Herbet과 Ulam은 처음으로 황을 양극 재료로 사용하고 알칼리 과염소산 염을 전해질로 사용하도록 제안했습니다.

초기 리튬-황 시스템은 1 차 전지로 연구되어 한동안 상용화되었지만 나중에 충전식 배터리로 교체되어 보류되었습니다. 2009 년 Linda F. Nazar는 Nature Materials에 리튬-황 2 차 충전 배터리를 제안하고 CMK-3을 사용하여 1320mAh / g의 높은 비 용량을 달성했습니다. 그 이후로 리튬-황 배터리는 진정으로 개발의 장을 열었습니다.

리튬-황 배터리의 원리 : 리튬-황 배터리의 양극은 황 또는 황 함유 물질이고 음극은 리튬입니다. 평균 전압은 2.1V입니다. 이론적으로 리튬-황 시스템 (Li-S)은 1672mAh / g의 비 용량과 2600Wh / kg의 에너지 밀도를 가지고 있습니다. LiCo02를 양극 (이론적 비 용량 273.8mAh / g, 에너지 밀도 360Wh / kg)으로 약 7 배 사용하는 전통적인 상용 리튬 이온 배터리입니다. 일반 리튬 이온 배터리와 비교하여 리튬-황 배터리의 방전 특성은 단순한 리튬 이온 탈리가 아니라 많은 수의 중간 생성물이 수반되는 산화 환원 공정입니다. 리튬-황 방전 배터리의 방전 과정에서 원소 황은 순환 S8의 개환에서 Li와 ​​반응하며 장쇄 Li2S8에서 단쇄 Li2S 로의 전환은 두 가지 명백한 방전 플랫폼 인 높은 전위 방전을 동반합니다. 플랫폼은 2.45V—- 2.1V, 프로세스는 많은 양의 S8에서 S42 로의 변환으로 간주 될 수 있으며 저 전위 방전은 2.1V-1.7V이며,이 프로세스는 많은 양의 S42-에서 S22- 및 S2로 -. 다른 한편으로, 다른 변환 정도는 또한 다른 커패시턴스에 해당합니다.

방전 반응식은 다음과 같습니다.

양극 : S8 {{1}} 16Li+e- → 8Li2S

음극 : Li → Li++e-

총 반응 : 2Li + nS → Li2Sn → Li2S

일반 리튬 이온 배터리는 단 전자 탈 인터 칼 레이션이고 리튬-황 배터리는 8 전자 산화 환원이므로 이론적 용량과 에너지 밀도가 7-8 배 더 높습니다. 기존의 리튬 이온 배터리와 유사하게 리튬-황 배터리는 양극, 음극, 분리기, 전해질 및 분리기로 구성됩니다. 따라서 리튬-황 배터리는 기존 리튬 이온 배터리의 가장 유망한 대안으로 간주되며 차세대 에너지 저장 장비의 새로운 에너지 원이됩니다.

유황 양극 재는 리튬-황 배터리의 개발 및 적용을 제한하는 핵심 요소이므로 우리는 유황 음극에 중점을 둡니다. 현재 리튬-황 시스템의 황 음극은 셔틀 효과, 열악한 전도도 및 부피 팽창과 같은 해결해야 할 몇 가지 문제가 있습니다.

1. 폴리 설파이드는 방전 과정 (Li2Sx, 3 ＜ x ＜ 8)에서 용해되어 복잡한 불균형 반응과" 셔틀 효과"를 일으켜 많은 양의 자체 방전을 일으켜 쿨롱 효율과 사이클을 감소시킵니다. 성능 및 비가 역적 용량 저하를 유발합니다.

2. 원소 유황과 방전 생성물 인 황화 리튬의 전도도가 낮고 S의 전도도 (5 × 10-30S / cm, 25 ℃), Li2S / Li2S2의 전도도 (~ 10-30S / cm)가 낮아 유황의 이용률은 약 50-70 %입니다.

3. 사방 정계 α-S (ρ1=2.03g / cm3)에서 역 형석 구조 (ρ2=1.66g / cm3)를 갖는 Li2S 로의 변환은 부피 팽창이 크고 전극 구조를 파괴하며 사이클 안정성에 영향을 미칩니다.