锂硫电池市场调研报告

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1、锂硫电池市场调研报告一、锂硫电池研究问题的提出（一）锂硫电池研究背景现有锂离子电池的性能很大程度上取决于电池材料的比容量，现有锂离子二次电池的主流正极材料包括钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、三元材料(LiNiMnCoO2)和磷酸铁锂(LiFePO4)等，其理论最大储锂容量为190ｍＡｈ／ｇ，制约了锂离子电池能量密度的提升图1现有锂离子电池正极材料技术指标为提高锂离子电池比容量、提高能量密度、降低成本、提高循环特性和提高安全性等方面进行，必须寻找超过200mAh/g的新材料。在这些材料中，硫被认为是最有前途的材料之一。以单质硫为正极

2、的锂－硫二次电池，其硫正极具有高的理论比容量（１６７５ｍＡｈ／ｇ）和能量密度（２６００Ｗｈ／ｋｇ），并且硫资源丰富且价格低廉，成为下一代高能密度锂二次电池的研究和开发的重点。（二）锂硫电池与锂离子电池性能比较表1各种锂电池正极材料比容量比较材料理论比容量（mAh/g）电压（V）实际比容量（mAh/g）实际比能量（Wh/kg）LiCoO22753.7130~140＜200LiNiO22743.4170~180180LiMn2O41483.8100~120140LiFeO41703.4150~160160三元2703.8160~190＜250S8167

3、52.1600~1400450表2两种电池主要性能参数比较电池种类比容量（mAh/g）能量密度(Wh/kg)工作电压(V)循环次数(次)锂离子电池正极：锂盐化合物理论：＜275实际：＜190理论：400实际：＜2603.7＞1000负极：碳基或硅基理论：＜4200实际：＜900锂硫电池正极：硫或硫化物正极理论：1675实际：＜1400理论：2600实际：＜4502.1＜1000负极：锂或锂合金负极理论：38603、锂硫电池优点（1）比容量高：理论比容量高达1675mAh/g，是商业化锂离子电池的8-10倍。（2）价格便宜：正极活性物质单质硫价格稳定

4、在2600~2800元/吨；目前商业化锂电池正极材料中磷酸铁锂最低售价10万元/吨，最便宜的锰酸锂售价也在4-6万元/吨之间。（3）资源丰富：2013年我国硫磺产量达到550万吨。如果活性物质单质硫的有效利用率能达到60%，那么年产5000万台笔记本电脑用的锂硫二次电池仅需单质硫500吨。（4）环境友好：无毒、无污染、安全可靠（无任何重金属，如铬、钴和汞）。（5）能量密度高：实际质量比能量达到了430Wh/kg。4、锂硫电池研究存在的问题锂硫电池具有巨大理论容量和能量密度优势，但在实际应用中还存在如下问题:（1）硫含量提高。单质硫是电子和离子的绝缘

5、体，单质硫的电导率极低，添加导电剂后，活性物质比例降低导致电池正极的能量密度减小。（2）硫溶解。在充放电过程中硫易形成溶于电解液的锂多硫化物而使活性物质流失，形成较厚的Li2S2和Li2S绝缘层，阻碍活性物质的进一步扩散和反应。（3）硫的体积效应。在充放电过程中硫发生体积膨胀和收缩会使电极材料的结构发生变化，导致循环过程中容量快速衰减、硫利用率低，循环稳定性差、可逆性差。（三）锂硫电池研究发展过程锂硫电池并非一个很新的电化学储能体系，其历史甚至可以追溯到半世纪以前，表3总结了锂硫二次电池的发展历程。表3锂硫二次电池的发展过程时间人物事件和意义196

6、2年Herber和Ulam第一个提出采用硫作为正极的想法并申请专利。1970年YaoNP等报道了一种高温锂硫二次电池，实现了硫和硫化锂之间的可逆转化1979年RauhRD等提出了一种锂/液硫电池体系从而实现了硫与硫化锂之间的可逆转化。1989年PeledE等Peled研究组提出采用多孔碳硫复合材料来提高电极材料导电性和体积能量密度。此为多孔碳在锂硫电池中的首次使用。2009年NazarLF等Nazar研究组报道了采用聚乙二醇(PEG)包覆的具有纳微复合结构新型介孔碳(CMK-3)/硫材料，该材料0.1C下首周放电容量达到1320mAh/g，经过10

7、周容量保持在1100mAh/g，比容量获得极大提升。2011年LyndeA.Archer提高了锂硫电池倍率性能，3C下比容量保持在400mAh/g以上2013年崔屹等开发出一种正极硫含量为53wt%的硫/TiO2纳米复合材料。0.5C下复合材料的首次放电比容量为1030mAh/g(365Wh/kg)，1000次后比容量保持在690mAh/g(245Wh/kg)，循环寿命首次达到1000次。2013年张跃钢等开发出硫含量为56wt%正极材料，首次放电比能量达到500Wh/kg，1500次循环后仍然能保持在300Wh/kg。二、锂硫电池研究体系锂硫电池

8、正极电解液隔膜单质硫硫-碳硫-聚合物负极硫-氧化物液态电解液凝胶电解液离子液体电解液固态电解质金属锂锂合金SiSnLi2S