锂硫电池发展面对的问题
锂-空电池的可行性,收集了这么多世纪的问题,可以说一直很困惑。看看锂硫电池,负极选择锂金属,正极选择硫,硫容量非常高,达到1600毫安时/克,这就是我们研究它的原因。
但是锂硫电池也有一些痛点,其中第一个痛点是电极循环不良。当硫电极放电时,硫化锂不是直接出现,而是逐渐回收,同时出现硫化锂中间产物;锂多硫化物会溶解在电解液中,造成溶解和损失。一方面,溶解的多硫化锂会分散到负极进行回收,然后氧化到正极,出现流化效应,导致库仑功率低,自放电高。另一方面,在充电过程中,溶解的多硫化锂也会优先堆积在阳极表面,由于外部孔的堵塞导致电极失活。因此,电极的循环功能很差。
现在,科学界的方法是利用多孔碳数据来阻挡和吸附多硫化物离子,减少其溶解和损失。这一策略在学术上似乎很有效,但实际应用却很有限。两者之间的重要差别是,实验室的研究工作是基于小纽扣电池,电极很薄,硫负荷不高,总硫水平约为几毫克;另一方面,实用电池有更高的硫含量(g),更厚的电极和更高的单位硫负荷。
锂硫电池的第二个问题是锂阳极的充电,这也是在短时间内难以解决的问题。电化学反应是将几个过程串联起来所必需的。第一个过程是将反应从溶液体转移到电极表面,称为液相传质。第二个过程是反应物在电极表面获得或失去电子并形成产物的过程,称为电化学反应物。哪个速度慢,电极响应由哪个过程控制。
锂电极的电子交换过程非常快,所以液相转移是其反应控制过程,即锂离子从溶液体到电极表面的转移相对缓慢。这导致了一些问题。在实际应用中,液相转移受到对流的影响。只要有重力,就会有对流。在锂离子生长快的地方,锂离子之间的运输间隔越短,锂离子的积累速率越快,这就是锂的树突生长的原因。
当然,正极和负极之间的间距不同,电流分布也不同,这也是锂枝晶生长的一个重要原因。显然,这些因素在实际电池中是难以防止的,因此,由枝晶生长引起的充电问题并不是不可能的,但仍然很难找到有效的解决办法。
第三个问题是锂-硫电池的能量密度很低,可能只有磷酸铁锂的能量密度可以与之相比。因为硫是绝缘体,让它导电,让它回声,让它分散,所以要选择很多高比表面积的碳,导致硫碳复合材料的数据密度很小;另外,硫的反应是先溶解后积累,所以在电极上要有大量的液相输送通道。
但是现在大多数锂硫电池的硫电极板都不能被压制,镀层的种类是什么,孔隙率是非常高的,所以它的体积能量密度是非常低的。关于汽车,尤其是乘用车,当能量密度达到一定值时,体积能量密度变得更加重要,因为乘用车没有那么多的局部电池。所以从这个意义上讲,至少在汽车动力领域,锂硫电池是不被看好的。