锂硫电池硫正极反应机理研究进展

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1、·110·材料开发与应用2015年8月文章编号:1003-1545(2015)04-0110-05锂硫电池硫正极反应机理研究进展徐美玲，王新慧，任引哲(山西师范大学化学与材料科学学院，山西临汾041004)摘要:详细地讨论了锂硫电池正极电化学反应机理，论述了利用紫外-可见光谱(UV-vis)、高效液相色谱(HPLC)和液相色谱-质谱联用(LS-MS)多种测试手段对电极反应过程的研究进展，分析了导致锂硫电池循环可逆性差的因素，并对其商业化应用进行了展望。关键词:锂硫电池;正极反应;机理研究中图分类号:O613．5文献标识码:AＲesearc

2、hProgressesofSulfurCathodeＲeactionMechanisminLithium-sulfurBatteryXUMei-ling，WANGXin-hui，ＲENYin-zhe(CollegeofChemistryandMaterialScience，ShanxiNormalUniversity，Linfen041004，China)Abstract:Thecathodeelectrochemicalreactionmechanismsoflithium-sulfurbatteryarediscussedindeta

3、il.ＲesearchprogressesontheelectrodereactionprocessbyUV-VISspectroscopy，HPLCandLC-MSmethodswerealsodiscussed.Thecauseswhichleadtopoorcyclereversibilityoflithiumsulfurbatterieswerealsoanalyzed.Finally，thecommercialapplicationoflithiumsulfurbatterieswasputforward.Keywords:li

4、thium-sulfurbattery;cathodereaction;mechanismresearch锂硫电池是一类极具发展前景的高容量储们在改进体系正极材料、电解质、电极结构等的［1］能体系，通常采用硫或含硫化合物作正极。若同时，也通过多种方法对其电化学过程中的复杂放电过程按每个硫原子转移两个电子计算，其理反应机理进行了深入探究。－1论比容量为1675mAh·g，是如今商业化锂离子电池正极材料(LiCoO2理论比容量为274mAh1锂硫电池电化学循环过程－1［2—3］·g)的5—6倍。但硫的电子电导率低，电池可逆性差，容量衰减快，1

5、00%纯硫作正极室硫正极的电极反应过程包括硫的多步氧化温下不能充放电等问题一直制约其发展，故通常［9］还原反应和多硫化物的复杂相变过程。其电［4—6］将硫与碳或其他导电材料复合作正极。这化学过程基于氧化还原反应:些导电材料具有高导电性、高孔容、高比表面积、16Li+nS8→8LiSn(1)吸附性强、分散性好等优点，一方面可以增强硫放电时，负极锂失去电子变为锂离子，正极的电化学活性，提高硫利用率和电池循环稳定S8首先溶解于电解液形成S8(l)，然后反应生成性;另一方面限制正极活性物质硫和放电中间产长链的多硫化物Li2S8、Li2S6，随

6、着硫被进一步还物多硫化物的运动，阻止其溶解于电解液中，保护锂负极，提高电池安全性，抑制“穿梭效应”发原，长链的多硫化物断裂成较短链的Li2S4、［7—8］LiS，放电最终产物为LiS［5］。高价态的多硫化生。近些年来，为了解决这些问题，研究者222收稿日期:2014－11－21作者简介:徐美玲，1988年生，女，硕士生，研究方向为新能源材料。E－mail:18335769293@163．com。任引哲，男，1954年生，教授，主要研究方向为纳米材料、稀土、新能源材料。第30卷第4期徐美玲，等:锂硫电池硫正极反应机理研究进展·111·物(L

7、i2Sn，4≤n≤8)是可溶的，电化学过程中伴生成，且受碳孔的限制，较难再聚合成S8。充放2－4－随发生的化学沉淀溶解反应使得多硫化物在固电过程只有S2—4—S的转化，避免了S8—S相和液相之间来回转移。而且，这些多硫化物转的转换，生成的多硫化物也被限制在碳孔中，不移速度很快，容易与锂负极发生反应，即产生穿容易逸出。梭效应，导致活性物质损失［10］。在锂硫电池中，［13］Chang等人发现硫放电过程第一平台2.4放电时正负极反应可以归结为:V左右的还原产物与电解液中环状的1，3-二氧+－S8+16Li+16e→8Li2S(正极)(2)

8、环戊烷(DOL)含量有关，DOL含量越高，产物+－16Li→16Li+16e(负极)(3)Li2Sn链长越短，这可能与DOL的加入降低了电总反应方程式为:解液的粘度，促进了多硫化锂的扩散，