锂硫电池的研究进展16页PPT

锂硫电池隔膜的应用研究进展

文章编号:1001-9731(2021)02-02050-07

锂硫电池隔膜的应用研究进展*

杜宗玺1,汪滨1,2,华超3,杜嬛3

(1.北京服装学院材料设计与工程学院,北京100029;

2.北京服装学院服装材料研究开发与评价北京市重点实验室,北京市纺织纳米纤维工程技术中心,北京100029;

3.中国科学院过程工程研究所绿色过程与工程重点实验室,北京100190)

摘要: 锂硫电池存在正极活性材料导电性差、穿梭效应、锂枝晶生长等一系列问题,限制了其商业化发展。本

文阐明了锂硫电池的工作原理和性能缺陷,介绍了隔膜改性的研究现状,从功能改性材料和静电纺丝生产工艺两

方面总结了隔膜改性的主要思路和作用机理。

关键词: 锂硫电池;穿梭效应;隔膜;静电纺丝

中图分类号: TB332文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2021.02.007

0 引言

随着电子信息时代的到来,各类电子产品如智能

手机、可穿戴设备、电动汽车、液晶电视等的广泛应用

大大提高了社会对能量的需求。为保持资源开发、环

境保护和能量需求三者之间的平衡,人们一方面积极

地开发可持续发展的绿色新能源,另一方面将目光放

在了兼具绿色环保和高能比的储能材料上。而锂电

池———现代最为成熟的储能技术之一,便顺理成章的

成为了储能领域的研究热点。在锂电池“家族”中,锂

离子电池最早被应用,但是传统锂离子电池的正极材

料一般为锰酸锂(LiMnO2)、钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂

(LiNiO2)和磷酸铁锂(LiFePO4)等,理论比容量较低

(LiFePO4仅为170mAh/g[1]),使得电池体系的比能

量仅为250Wh/kg左右,难以满足日益增长的能量需

求。锂硫电池属于锂电池体系,因其具备的高理论比

容量被看作是下一代最有前景的二次电池体系。锂硫

电池以硫单质(理论比容量为1675mAh/kg[2])作为

正极材料,组成的电池体系理论比能量可达2600Wh/

锂硫电池工作原理

锂硫电池是一种新型的高能量密度二次电池。它的工作原理基于锂离子在充放电过程中在锂极和硫极之间的扩散和反应。

在锂硫电池的充电过程中，锂离子从锂极脱离并在电解液中传输到硫极表面。在硫极上，锂离子与硫化物（如Li2S）发生化学反应生成金属锂和硫化物（如Li2S2）。这个过程是可逆的，也就是说，在放电过程中，金属锂和硫化物会再次反应生成锂离子和硫化物。

在放电过程中，锂离子从硫极移动到锂极，通过电解液和电解质中的离子导体进行传输。同时，在锂极上，锂离子与金属锂反应生成锂金属。

需要注意的是，锂硫电池的正极由硫组成，这意味着在电池充放电的过程中会产生大量的多硫化物中间产物。这些中间产物在充放电循环中会引发极大的体积变化和溶解问题，从而导致锂硫电池的容量衰减和循环寿命问题。

为了解决这个问题，研究人员使用了多种策略，如添加碳材料、使用针对多硫化物的分离膜和电解质等。这些策略可以有效地抑制多硫化物的溶解和扩散，从而提高锂硫电池的充放电性能和循环寿命。

总之，锂硫电池工作原理基于锂离子在锂极和硫极之间的扩散和反应，在充放电过程中，锂离子会在两个极之间传输，与硫化物发生化学反应生成金属锂和硫化物。锂硫电池的研究和发展为高能量密度电池的发展提供了新的可能性。

关于锂硫电池的研究

锂硫电池的研究

什么是锂硫电池

01

锂硫电池是锂电池的一种，截止目前尚处于科研阶段。锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容（<150mAh/g）。

工作原理

02

典型的锂硫电池一般采用单质硫作为正极，金属锂片作为负极，它的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。

锂硫电池以硫为正极反应物质，以锂为负极。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。根据单位质量的单质硫完全变为S2-所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为1675 mAh/g，同理可得出单质锂的理论放电质量比容量为3860 mAh/g。锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂（Li2S）时。相应锂硫电池的理论放电质量比能量为2600

Wh/kg。

面临的困难

03

然而，如今的锂硫电池距离工业化、商业化仍需克服以下几个困难。

01

单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低(5.0×10-30S·cm-1)，反应的最终产物Li2S2和Li2S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能。 02

锂硫电池的中间放电产物会溶解到有机电解液中,增加电解液的黏度，降低离子导电性。多硫离子能在正负极之间迁移，导致活性物质损失和电能的浪费。（Shuttle效应）。溶解的多硫化物会跨越隔膜扩散到负极,与负极反应,破坏了负极的固体电解质界面膜(SEI膜)。

03

锂硫电池的最终放电产物Li2Sn(n=1~2)电子绝缘且不溶于电解液,沉积在导电骨架的表面;部分硫化锂脱离导电骨架,无法通过可逆的充电过程反应变成硫或者是高阶的多硫化物,造成了容量的极大衰减。

锂硫电池概述

锂硫电池（LSBs）是一种以硫为正极活性物质，金属锂为负极的新型二次电池。受益于硫相态变化的多电子反应，锂硫电池拥有高达1675mAhg-1和2600Whkg-1的理论比容量和比能量，相当于商用锂离子电池数倍，并且硫储量丰富、价格低、环境友好，因而锂硫电池被认为是极具开发潜力和应用前景的新一代二次电池技术。

一、锂硫电池的结构

锂硫电池主要由硫正极、锂负极、隔膜和电解质等组成。硫正极是由活性物质硫与导电剂及粘结剂等按照一定比例均匀混合制备而成；锂负极为普通商用锂片；正负极之间放置隔膜，隔膜材质为聚合物且具有多孔隙、不导电的特点，目的是选择性通过离子而隔绝电子；电解液为含硝酸锂的非水类电解液体系，为锂硫电池内部氧化还原反应提供液态环境。下图展示了锂硫电池的结构。

二、锂硫电池的储能机理 LSBs的工作原理是单质硫与锂离子之间发生的可逆氧化还原反应。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化锂，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。

图1.2为电池充放电过程单质硫的可逆转化示意图，其中放电时大致包括以下反应过程：

正极反应：

图1.2可以看出，放电曲线有两个较为明显的平台，分别位于2.4-2.1V和2.1-1.5V。放电前，正极活性硫的初始状态为环形分子（S8），放电开始后，S8分子发生开环反应并与锂离子结合生成Li2S8分子（式1-1），随着反应的进行，Li2S8进一步与锂离子结合生成长链多硫化锂Li2S6和Li2S4（式1-2和1-3），这一过程对应位于2.4-2.1V的第一放电平台；长链多硫化锂在有机电解液中溶解并在隔膜两侧扩散迁移，随着电化学反应的继续进行，长链多硫化锂在反应过程中得到电子被还原为短链多硫化锂（Li2S2和Li2S）（式1-4和1-5），这个反应过程在放电曲线中对应于第二个较长的平台（2.1-1.5V附近），这一过程贡献了LSBs大部分的理论容量，因此第二平台的反应深度很大程度上决定了LSBs的性能。

全固态锂硫电池综述

全固态锂硫电池是一种新型的高能量密度电池，具有广阔的应用前景。本文综述了全固态锂硫电池的研究进展和挑战。

全固态锂硫电池由固态电解质、锂金属阳极和硫正极组成。与传统液体电解质锂硫电池相比，全固态锂硫电池具有更高的能量密度、更长的循环寿命和更好的安全性能。

目前，全固态锂硫电池的电解质主要包括固态聚合物电解质和固态氧化物电解质。固态聚合物电解质具有良好的离子导电性和机械强度，但在高温下容易熔化。固态氧化物电解质具有较高的离子导电性和化学稳定性，但制备成本较高。

全固态锂硫电池的硫正极材料主要包括硫化物、硫化合物和硫/碳复合物。硫化物和硫化合物具有较高的硫质量比，但容易析出多硫化物并导致电池失活。硫/碳复合物具有良好的电化学性能和稳定性。

全固态锂硫电池面临一些挑战。首先，全固态电解质的热稳定性和机械强度需要进一步提高。其次，锂金属阳极的表面稳定性需要改善，以防止金属锂的表面反应和析出。同时，硫正极材料的小颗粒尺寸和高活性也需要解决。

总之，全固态锂硫电池具有巨大的潜力，但还需要进一步的研究和开发，以解决其面临的挑战，并实现商业化应用。

锂硫电池的原理简图及应用

原理简介

锂硫电池是一种新型的电池技术，采用锂金属和硫作为电极材料，具有高能量密度、长寿命和环保等优点。本文将详细介绍锂硫电池的工作原理，并探讨其在各个领域的应用情况。

锂硫电池的工作原理

锂硫电池的工作原理基于锂离子的嵌入/脱嵌反应和硫化物的电化学反应。以下是锂硫电池的工作原理简图：

1. 正极反应

• 嵌入/脱嵌反应：正极材料通常采用硫，锂离子在放电过程中从锂金属或锂离子型的正极通过电解液转移到硫正极材料上，形成Li2S化合物。充电时，锂离子从硫正极材料移动回锂金属或锂离子型正极。

• 电子导体：正极材料中的电子通过外部电路流动来完成电池的充放电过程。

2. 负极反应

• 嵌入/脱嵌反应：负极一般采用锂金属或碳材料，锂离子在充电时从正极释放出来，通过电解液移动到负极并被嵌入负极材料中。

3. 电解液和隔膜

• 电解液：电解液通常采用锂盐溶于有机溶剂，负责运输和嵌入/脱嵌过程中的离子传导。

• 隔膜：隔膜用于阻止正负极直接接触，同时允许离子传输。

4. 工作状态

• 放电状态：在放电状态下，锂离子从正极脱嵌并通过电解液移动到负极，同时释放出电子供给外部电路。

• 充电状态：在充电状态下，外部电源提供电子，使锂离子从负极脱嵌并通过电解液返回正极嵌入。

锂硫电池的应用

由于锂硫电池具有高能量密度、长寿命和环保等特点，它在多个领域中具有广泛的应用。以下是锂硫电池在一些领域的具体应用情况：

1. 电动汽车 • 由于锂硫电池具有高能量密度，可以提供更高的续航里程，因此在电动汽车领域有广泛的应用前景。锂硫电池还具有较低的成本和高循环寿命，可以提供更经济和可靠的电动汽车解决方案。

2. 可再生能源储存

• 锂硫电池能够快速充电和放电，适合于储存可再生能源如太阳能和风能等。它能够平衡电网供需，并提供稳定的电力输出，具有很大的潜力用于可再生能源储存系统。

3. 便携式电子设备

• 锂硫电池的高能量密度使其非常适合用于便携式电子设备，如智能手机、平板电脑和便携式音频设备等。它可以提供更长的续航时间，并减轻用户对充电设施的依赖性。

高安全高比能固态锂硫电池的研究

你知道吗，随着科技的飞速发展，我们的日常生活越来越离不开电池了。手机、汽车、电动工具……基本上可以说，“没有电，寸步难行”。不过，说到电池的技术进步，很多人可能还停留在锂电池这个层面上，觉得“锂电池不就是那种能量高、充电快的电池吗？”其实呢，锂电池也有不少“隐疾”。它虽然高效、便捷，但是安全性差，容易发生热失控，啥意思呢，就是一旦出了问题，可能会爆炸，甚至引发火灾。让人一想到这个就有点后怕，尤其是用电池的手机和电动汽车，简直是“时时刻刻都悬着一根弦”。不得不提到一个更让人兴奋的技术——固态锂硫电池。嗯，固态锂硫电池，听起来有点高大上是不是？但别急，今天咱们就一块儿聊聊它是怎么回事，以及它能给我们带来什么样的“电力奇迹”。

先说说固态锂硫电池的优势吧。大家可能都知道，锂电池好像有点“火爆”，对吧？这种传统的锂电池是用液态电解质的，这就意味着一旦电池发生破裂或者其他故障，电解质泄漏，风险就大了。不过，固态锂硫电池可不同，它的电解质是固体的，简直就像是为电池装上了“防护盾”。它不仅能有效避免液态电解质泄漏的危险，还能极大地提高电池的安全性。想想看，再也不用担心电池“炸毛”了，是不是挺让人安心的？而且呢，这种电池的能量密度也比传统锂电池高得多。什么意思呢？就是同样大小的电池，固态锂硫电池可以存储更多的电能，这样手机、电动汽车这些设备就能用得更久，充电频率也可以大大降低。也许你会说：“那这样不就能省去大部分充电的烦恼了？”没错，固态锂硫电池简直是“充电狂魔”的终结者，让我们摆脱了那些每天都得拿出充电宝、找插座的麻烦。

不过，说到这里，可能有朋友要问了：“既然这么好，为什么现在还没普及呢？”嗯，这里就有一个小小的难题。固态锂硫电池虽然在理论上有很多优点，但在实际生产过程中，还是存在一些技术上的瓶颈。硫元素的利用效率问题。硫虽然是一个理想的电池材料，但它和锂金属的反应不够理想，导致电池的循环稳定性差。简而言之，就是电池的寿命不能太长，可能用了几次就不行了。所以研究人员就开始琢磨如何提高电池的寿命，怎么样才能让它用得更久，充电更稳定。再就是成本的问题。说实话，固态锂硫电池的生产工艺复杂，成本较高，这也限制了它的普及速度。毕竟，谁不想花更少的钱买到质量更高、使用寿命更长的电池呢？

锂硫电池综述nature

引言：

锂硫电池是一种新型的二次电池技术，具有高能量密度、低成本、环境友好等优点，被广泛认为是下一代能源储存技术的候选者之一。本文将综述锂硫电池的研究现状、优势和挑战，以及未来的发展方向。

1. 锂硫电池的原理和结构

锂硫电池的正极材料是硫，负极材料是锂，两者之间通过电解质隔膜分隔。在充放电过程中，锂离子在电解液中穿梭，与硫反应形成锂硫化物，实现电能的转化和储存。锂硫电池的结构相对简单，包括正负极、电解质和隔膜。

2. 锂硫电池的优势

锂硫电池相比传统的锂离子电池有以下优势：

(1) 高能量密度：硫的理论比容量高达1675 mAh/g，远超锂离子电池的理论比容量；

(2) 低成本：锂硫电池采用廉价的硫作为正极材料，相比于锂离子电池的钴、镍等贵金属，成本更低；

(3) 环境友好：锂硫电池的主要成分是硫和锂，无毒、可循环利用，对环境污染较小。

3. 锂硫电池的挑战锂硫电池在实际应用中还面临一些挑战：

(1) 自放电率高：硫正极材料具有较高的自放电率，导致电池在长时间存储和使用过程中容易失去电能；

(2) 低循环寿命：锂硫电池在长期循环充放电过程中，正负极材料之间的反应会导致材料的损耗和极化，降低电池的循环寿命；

(3) 容量衰减：锂硫电池在充放电循环中，由于硫的溶解和扩散，会导致电池容量的衰减。

4. 锂硫电池的研究进展

为了克服锂硫电池的挑战，许多研究机构和企业都投入了大量的研发工作，取得了一些重要的突破。其中包括：

(1) 材料改良：通过改良硫正极材料的结构和导电性能，提高电池的循环寿命和容量保持率；

(2) 电解液优化：调整电解液的成分和浓度，减少电池的自放电率和极化现象；

(3) 富锂负极设计：设计新型的锂负极材料，提高电池的能量密度和循环寿命；

(4) 界面工程：通过调控正负极材料之间的界面结构，提高电池的电荷传输速率和稳定性。

5. 锂硫电池的未来发展方向

为了实现锂硫电池的商业化应用，还需要进一步解决其面临的挑战。未来的研究和发展方向可能包括： (1) 新型材料的开发：寻找更好的正负极材料，提高电池的能量密度和循环寿命；

锂硫电池正极材料的研究进展

摘要：锂硫电池具有高达2600 Wh▪kg-1的理论比能量以及1672 mAh▪g-1的理论比容量，远大于现阶段使用的商业化二次电池，被越来越多人所关注。本文主要介绍了锂硫电池正极材料的研究进展，从结构调控型碳/硫复合正极材料、非金属元素表面修饰碳/硫复合正极材料、非碳添加剂/硫复合正极材料这三个方面进行说明，以此来突破锂硫电池目前所存在的问题。

关键词：锂硫电池；正极材料

锂硫电池由单质硫正极、电解液、隔膜和金属锂负极构成。反应机理为电化学机理，以硫为正极反应物质，以锂为负极。在构成锂硫电池的四个部分中，正极具有极为重要的作用。因此，大量的研究者都希望通过对正极材料的设计来攻克锂硫电池目前主要存在的单质硫导电性差、充放电产物绝缘、中间产物具有穿梭效应与活性物质的体积膨胀等本征问题，从而实现锂硫电池的商业化生产。依照不同的设计角度，正极材料大体分为以下几类：

1.结构调控型碳/硫复合正极材料

碳材料广泛存在于自然界中，具有稳定的理化性质。碳材料的引入可以显著提高正极材料的导电性，并有效缓冲活性物质的体积膨胀，避免了充放电过程中正极电极结构的粉化与脱落。

（1）多孔碳

多孔碳是以碳质材料为结构基元组成的具有多孔结构的功能材料。根据碳材料孔径分布，可以将其分为微孔（孔径小于2 nm）、介孔（孔径在2~50 nm 之间）、大孔（孔径大于50 nm）、和分级孔（具有多种孔道结构）碳材料。其高孔隙率和高比表面积有利于硫的储存和均匀分布，并且多孔结构对多硫化物溶解和扩散具有抑制作用，有效减缓了“穿梭效应”，提高了电池的电化学性能和稳定性[1]。

（2）分级多孔碳

微孔碳具有较高的比表面积，能确保单质硫在导电骨架中的分散和接触，同时其强物理吸附能力可以有效抑制“穿梭效应”。但是微孔难以负载大量的活性物质，限制了电池整体的能量密度。介孔碳较微孔碳具有更高的硫负载量，并能有效地缓解充放电过程中的体积膨胀。大孔物理吸附能力较弱，无法抑制多硫化物的溶解和扩散，会造成了活性物质的不可逆流失。因此，设计具有多种孔径分布的分级多孔碳材料，充分利用大孔、介孔、微孔所具有的优势，能有效提高电池的电化学性能。

锂硫电池原理

锂硫电池是一种新型的二次电池，以硫为正极材料，锂为负极材料，电解液为锂盐。锂硫电池的电化学反应是，在正极处，硫在电解液中被氧化，生成多硫化物，化学式为：S8+16Li++16e-=8Li2S；在负极处，锂离子从负极向正极移动，化学式为：Li=Li++e-，这是一种可逆反应，因此可以反复充放电，实现节能环保的电池技术。

锂硫电池具有以下几个特点：

1. 高能量密度：锂硫电池的理论能量密度高达2100Wh/kg，比锂离子电池高出多倍，能够满足对高能量密度的要求。

2.环保：锂硫电池的材料都是可再生的，且无毒无害，减少了对环境的污染。

3.长寿命：锂硫电池的寿命长，可循环充放电1000次以上。

4.安全可靠：锂硫电池较为安全，由于其材料稳定性好，且内部没有可燃物质，可以避免火灾等危险。

锂硫电池的优势显而易见，但仍有一些问题需要解决。其中最主要的问题是电极材料的稳定性。首先，硫的反应活性很强，容易形成多硫化物，而多硫化物是一种电解液锂中毒的化合物，会降低电池的充放电效率；其次，锂离子嵌入和脱出过程会导致电极材料的体积变化，这会引起电池的损坏。如何提高电池的循环寿命，减少电极材料的膨胀，是锂硫电池研究的热点问题。

总之，锂硫电池在能源化学领域拥有广阔的前景。未来，锂硫电池将有望在新能源汽车、新型通讯设备、太阳能电池等领域应用。