鋰硫電池01鋰硫電池產(chǎn)生背景02鋰硫電池定義及工作原理03鋰硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)04鋰硫電池的改性策略01鋰硫電池產(chǎn)生背景一、鋰硫電池產(chǎn)生背景（一）能源與環(huán)境壓力全球能源危機(jī)和環(huán)境問題加劇，人類亟需減少對(duì)化石燃料依賴，大力發(fā)展環(huán)境友好型新能源與高效儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能體系和電池技術(shù)隨之快速發(fā)展。一、鋰硫電池產(chǎn)生背景（二）傳統(tǒng)電池的局限鉛酸電池循環(huán)壽命短、對(duì)環(huán)境不友好等缺點(diǎn)；傳統(tǒng)鋰離子電池難以滿足當(dāng)前對(duì)高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和低儲(chǔ)能成本的需求。一、鋰硫電池產(chǎn)生背景（三）鋰硫電池的優(yōu)勢(shì)基于多電子轉(zhuǎn)化反應(yīng)和輕元素，鋰硫電池具備超高理論能量密度、材料價(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，被視為極具潛力的新型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)之一。一、鋰硫電池產(chǎn)生背景（四）政策推動(dòng)我國高度重視鋰硫電池研發(fā)與推廣，2017年四部委在《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》中，明確指出，要積極推進(jìn)鋰硫電池等新體系電池的研發(fā)與工程化開發(fā)。02鋰硫電池定義及工作原理二、鋰硫電池定義及工作原理（一）什么是鋰硫電池？鋰硫電池是鋰電池的一種，其以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。單質(zhì)硫在地球中儲(chǔ)量豐富，具有價(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達(dá)到1675mAh/g和2600Wh/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰電池的比容量(<150mAh/g)。鋰硫電池是一種非常有前景的鋰電池。二、鋰硫電池定義及工作原理（二）鋰硫電池工作原理鋰硫電池是可充電電池體系，典型的鋰硫電池一般采用高比容的單質(zhì)硫（1675mAh/g）作為正極，高比容的鋰金屬（3860mAh/g）作為負(fù)極，采用醚類和脂類液體作為電解液（也可采用固態(tài)電解質(zhì)），中間一般采用多孔隔膜，其平均放電電壓約為2.15V。它的反應(yīng)機(jī)理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機(jī)理，而是電化學(xué)機(jī)理。其電化學(xué)反應(yīng)如下所示：二、鋰硫電池定義及工作原理（二）鋰硫電池工作原理鋰硫電池在放電過程中，放電曲線上出現(xiàn)了兩個(gè)放電平臺(tái)2.3V（高平臺(tái)）和2.1V（低平臺(tái)），分別對(duì)應(yīng)的是固態(tài)單質(zhì)硫（S8）到液態(tài)長(zhǎng)鏈多硫化鋰（Li2Sx，4≤x≤8）；然后再進(jìn)一步被還原到固態(tài)短鏈硫化鋰（Li2S2/Li2S）的兩步電化學(xué)還原反應(yīng)過程。二、鋰硫電池定義及工作原理（二）鋰硫電池工作原理其中長(zhǎng)鏈的多硫化物在電解液中有較高的溶解性，所以該過程電化學(xué)反應(yīng)速率較快，而Li2S2和Li2S在電解液中幾乎不溶解，反應(yīng)速率較緩慢。在充電過程中Li2S經(jīng)過中間多硫化物直接被氧化成S8，從而形成一個(gè)完整可逆的氧化還原反應(yīng)。在充電過程中，鋰離子移向負(fù)極，并在負(fù)極處還原成金屬鋰。03鋰硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)三、鋰硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)其輕質(zhì)的特性有利于電池總體能量密度的提高。優(yōu)點(diǎn)重量輕三、鋰硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)鋰硫電池使用高孔容石墨烯做為硫載體，一部分氧化石墨烯做為間隔層，高導(dǎo)電石墨烯做為集流體，并以全石墨烯基作為正極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高孔容石墨烯的使用讓電極材料達(dá)到80wt%的硫含量與5mg/cm2的硫載量，使導(dǎo)電性能大大提高。優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)電性能好三、鋰硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)成本低、材料來源范圍廣。三、鋰硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)使用獨(dú)具特色的橋接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)新性地對(duì)硫陰極進(jìn)行了配備，使之有著更強(qiáng)的應(yīng)力負(fù)荷及穩(wěn)定性能且續(xù)航能力及穩(wěn)定性有了極大幅度的提高。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特殊，續(xù)航能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高三、鋰硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)（二）缺點(diǎn)硫（S）單質(zhì)與硫化鋰（Li2S）的電導(dǎo)率極低（分別為5.0×10-30S·cm-1和1×10-13S·cm-1），且鋰離子在Li2S晶體中的擴(kuò)散系數(shù)僅為10-15cm2·s-1，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢、極化嚴(yán)重，造成電池倍率性能較差，限制高比容量發(fā)揮。電子絕緣性導(dǎo)致的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問題三、鋰硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)（二）缺點(diǎn)鋰硫電池在充放電過程中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的多步氧化還原反應(yīng)，伴隨著大量的中間態(tài)多硫化物的生成，并且多硫化物會(huì)溶解在電解液中，部分?jǐn)U散至負(fù)極后被還原為固態(tài)絕緣的Li2S2/Li2S，沉積在鋰金屬表面，導(dǎo)致鋰負(fù)極腐蝕、鈍化及活性物質(zhì)流失，加劇電池容量衰減。多硫化鋰引起的“穿梭效應(yīng)”三、鋰硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)（二）缺點(diǎn)硫和硫化鋰的密度分別為2.07和1.66g·cm-3，在充放電過程中有高達(dá)79%的體積膨脹/收縮，這種膨脹會(huì)導(dǎo)致正極形貌和結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致硫與導(dǎo)電骨架的脫離，造成容量衰減?；钚晕镔|(zhì)體積膨脹導(dǎo)致的電極結(jié)構(gòu)失效三、鋰硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)（二）缺點(diǎn)金屬鋰負(fù)極由于其化學(xué)活性高，易與電解液發(fā)生副反應(yīng)。而且在充放電過程中，隨著金屬鋰脫/嵌不均勻沉積導(dǎo)致鋰枝晶生長(zhǎng)，進(jìn)而會(huì)刺穿隔膜，引起電池的短路，造成安全隱患。另外，金屬鋰負(fù)極在充放電過程中會(huì)發(fā)生體積變化而造成粉化，降低了電池循環(huán)的穩(wěn)定性。金屬鋰負(fù)極的安全性問題04鋰硫電池的改性策略四、鋰硫電池的改性策略針對(duì)鋰硫電池面臨的問題，科研工作者分別從正極材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電解液的優(yōu)化、隔膜的修飾以及負(fù)極界面保護(hù)等方面入手，來實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用。四、鋰硫電池的改性策略（一）正極材料選取與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用與導(dǎo)電材料復(fù)合策略，如碳基材料、導(dǎo)電聚合物材料、金屬氧（硫）化物等，以增強(qiáng)正極導(dǎo)電性，發(fā)揮硫的高理論比容量?jī)?yōu)勢(shì)。四、鋰硫電池的改性策略（二）電解液優(yōu)化有機(jī)液體電解質(zhì)：添加LiNO3等穩(wěn)定添加劑，改善與金屬鋰負(fù)極反應(yīng)生成的SEI膜均勻性，減少易燃?xì)怏w產(chǎn)生及鋰枝晶生長(zhǎng)引發(fā)的短路風(fēng)險(xiǎn)。四、鋰硫電池的改性策略（二）電解液優(yōu)化固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)：采用聚合物電解質(zhì)替代易燃液態(tài)電解質(zhì)，利用其高離子導(dǎo)電性、界面穩(wěn)定性及物理韌性，抑制鋰枝晶形成，緩沖電極體積變化，提升安全性。四、鋰硫電池的改性策略（三）隔膜修飾針對(duì)傳統(tǒng)隔膜無法阻隔多硫化物擴(kuò)散的問題，通過三類材料改性：選用兼具導(dǎo)電與物理吸附功能，吸附多硫化物并活化隔膜上的“死硫”沉淀，減少活性物質(zhì)損失。碳材料（如碳黑、石墨烯等）四、鋰硫電池的改性策略（三）隔膜修飾針對(duì)傳統(tǒng)隔膜無法阻隔多硫化物擴(kuò)散的問題，通過三類材料改性：通過涂覆、摻雜等方式修飾隔膜，利用化學(xué)作用限制多硫化物跨膜運(yùn)輸，其中無機(jī)材料涂覆CelgardPP隔膜是簡(jiǎn)單有效的工藝。無機(jī)材料（如金屬氧化物）四、鋰硫電池的改性策略（三）隔膜修飾針對(duì)傳統(tǒng)隔膜無法阻隔多硫化物擴(kuò)散的問題，通過三類材料改性：通過材料特性輔助阻擋或吸附多硫化物。聚合物材料四、鋰硫電池的改性策略（四）負(fù)極界面保護(hù)圍繞避免鋰負(fù)極與電解液直接接觸、減少副反應(yīng)及鋰枝晶問題采用三維集流體設(shè)計(jì)：