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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 化学化工区 » 电化学 » 化学电源 » 锂硫电池原理
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vampire01

铜虫 (正式写手)

[求助] 锂硫电池原理

锂硫电池的工作原理具体是啥？和锂离子电池原理类似吗？
放电时，负极锂失去电子变成Li+离子，然后Li+以及电解质中的Li+通过电解质扩散到正极S，同时正极S和得到的电子以及Li+反应生成LiS8多S化学物，多S化学物容易溶解到电解质，并与电解质中的Li+反应生成LiS2或者Li2S2？这些沉淀物LiS2或者Li2S2会沉淀在哪呢？正极上or负极上or电解质中？
充电时，阴极LI+被还原成LI?阳极LiS2或者Li2S2还原成S？那LiS2或者Li2S2种的Li+通过电解质扩散到阴极被还原？
刚接触锂硫电池，不是很懂，不知道我上述原理有啥问题？请求专家不吝赐教啊，同时详细给俺讲解充放电时电池三部分的物质变化和化学反应啊？谢谢 非常感谢啊
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1楼 2013-07-02 22:04:11
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sea207720

木虫 (正式写手)

隐士

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
感谢参与，应助指数 +1
zlin: ECEPI+1, 鼓励应助~ 2013-07-03 10:12:01
vampire01: 金币+15 2013-07-03 14:59:53
与普通锂离子电池中锂离子在电极材料中脱嵌的机理不同，锂硫二次电池的放电过程是不同价态的聚硫离子（Sn2-，1≤n≤8）转化的多步电极反应。
典型的锂硫电池放电曲线由两个平台组成，。在第一个放电平台(2.4-2.1V)，元素硫被还原成可溶性的聚硫锂并且聚硫锂进一步被还原；在第二个放电平台(2.1-1.5V)，可溶性聚硫锂被还原形成不均匀的硫化锂层覆盖在碳骨架上。
在高电压平台每个硫原子接受 0.5 个电子可以将起始正极材料环状 S8分子还原成 Li2S4。
实际放电过程在此点（Li2S 和 Li2S2的混合物，未完全反应生成 Li2S）终止是因为 Li2S2在电解液中的低溶解度和缓慢的电化学动力学。每个硫原子接受 0.5 个电子也可以解释为低放电平台的硫由 x<4 的聚硫离子 Sx2-组成

锂电极放电反应：Li → Li++ e
硫电极放电反应：S8+ Li+ + e → Li2Sn（3≤n≤7）
Li2Sn+ Li++ e → Li2S + Li2S2

锂电极充电反应：Li+ + e → Li
硫电极充电反应：Li2S + Li2S2→ S8+ Sm2-（6≤m≤7）+ Li++ e
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人生若只如初见当时只道是寻常
2楼2013-07-03 09:49:24
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sea207720

木虫 (正式写手)

隐士

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★
vampire01: 金币+5 2013-07-03 20:41:50
引用回帖:
8楼: Originally posted by vampire01 at 2013-07-03 16:23:50
那么电解质中能有含硫的盐类物质吗？如果可以，是不是就能降低多硫的溶解？...

电解质中有木有含硫的物质我不是很清楚，但是我想应该没有，因为大多数含硫的都是不导电的，正极反应生成的多硫化物易溶解于电解液中而损失，这进一步降低电池循环放电稳定性。
当前主要还是通过复合来提高其性能，比如说硫/活性炭复合材料，通过活性炭微孔对纳米硫颗粒的吸附作用抑制多硫化物在电解液中的溶解，改善硫电极的循环放电性能。
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人生若只如初见当时只道是寻常
9楼2013-07-03 16:39:28
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普通回帖

sheva@7

木虫 (正式写手)

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★
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vampire01: 金币+5 2013-07-03 15:14:55
因为硫可能的溶解问题，一般都是牺牲容量用被嵌在碳骨架上固定住的小分子硫作为正极。这种情况下的反应就比较简单，就是锂和硫形成多硫化物的反应。
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3楼2013-07-03 11:08:36
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vampire01

铜虫 (正式写手)
引用回帖:
2楼: Originally posted by sea207720 at 2013-07-03 09:49:24
与普通锂离子电池中锂离子在电极材料中脱嵌的机理不同，锂硫二次电池的放电过程是不同价态的聚硫离子（Sn2-，1≤n≤8）转化的多步电极反应。
典型的锂硫电池放电曲线由两个平台组成，。在第一个放电平台(2.4-2.1V) ...

您好，那在放电时是不是锂电极不断溶解啊？然后电解质中的Li+离子扩散到硫电极？充电时也是Li+离子扩散到锂电极被还原？
还有一个问题，说锂硫电池稳定性差的主要原因就是多硫的溶解，这是指放电时 S8分子还原成的 Li2S4容易跑到电解液中？
期待您的赐教，非常感谢。
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4楼2013-07-03 15:12:12
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vampire01

铜虫 (正式写手)
引用回帖:
3楼: Originally posted by sheva@7 at 2013-07-03 11:08:36
因为硫可能的溶解问题，一般都是牺牲容量用被嵌在碳骨架上固定住的小分子硫作为正极。这种情况下的反应就比较简单，就是锂和硫形成多硫化物的反应。

您所说的“硫可能的溶解问题”是否是指S8分子还原成的 Li2S4容易跑到电解液中而导致的S的损失？如果一种电解液不溶解 Li2S4是否意味着循环稳定性得到很大提高？
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5楼2013-07-03 15:17:46
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sheva@7

木虫 (正式写手)

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★
vampire01: 金币+5 2013-07-03 20:41:26
引用回帖:
5楼: Originally posted by vampire01 at 2013-07-03 15:17:46
您所说的“硫可能的溶解问题”是否是指S8分子还原成的 Li2S4容易跑到电解液中而导致的S的损失？如果一种电解液不溶解 Li2S4是否意味着循环稳定性得到很大提高？...

硫单质本身就可能溶于电解液，所以需要用碳硫键绑住。
至于这种电解质，理论上说应该是吧。貌似有人开始用固体电解质防止硫溶出了。
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6楼2013-07-03 15:52:23
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sea207720

木虫 (正式写手)

隐士

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
感谢参与，应助指数 +1
vampire01: 金币+10 2013-07-03 20:41:39
引用回帖:
4楼: Originally posted by vampire01 at 2013-07-03 15:12:12
您好，那在放电时是不是锂电极不断溶解啊？然后电解质中的Li+离子扩散到硫电极？充电时也是Li+离子扩散到锂电极被还原？
还有一个问题，说锂硫电池稳定性差的主要原因就是多硫的溶解，这是指放电时 S8分子还原成的 ...

我写的那个反应式子已经很明显了，就是氧化还原的一个过程。
锂硫电池放电比容量低和循环充放稳定性差的原因是硫正极中活
性物质的溶解和硫正极在充放电过程中的钝化是硫正极电化学性能差的
原因，正极反应产物为绝缘物质且难溶解于电解液中，它们在硫正极表面淀积是造成其钝化的原因。
对于放电时指单质硫，不仅仅是S8
单质硫及硫正极放电时硫还原生成的 Li2Sn（3≤n≤7）易溶解于有机电解液中，这造成正极反应物质损失，导致正极放电比容量逐渐下降。并且，硫正极放电产物 Li2S2和 Li2S 为绝缘物质，它们会降低正极导电性，减小活性物质利用率和正极放电比容量。

至于你现在存在的问题，建议多看看文献，学习学习
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人生若只如初见当时只道是寻常
7楼2013-07-03 16:04:30
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vampire01

铜虫 (正式写手)
引用回帖:
7楼: Originally posted by sea207720 at 2013-07-03 16:04:30
我写的那个反应式子已经很明显了，就是氧化还原的一个过程。
锂硫电池放电比容量低和循环充放稳定性差的原因是硫正极中活
性物质的溶解和硫正极在充放电过程中的钝化是硫正极电化学性能差的
原因，正极反应产物 ...

那么电解质中能有含硫的盐类物质吗？如果可以，是不是就能降低多硫的溶解？
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8楼2013-07-03 16:23:50
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kdbear

木虫 (正式写手)

【答案】应助回帖

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vampire01: 金币+5 2013-07-03 20:40:48
看综述，最靠谱。
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/cs/c2cs35256g
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1 ... p;searchHistoryKey=
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1 ... p;searchHistoryKey=
http://www.nature.com/nmat/journal/v11/n1/full/nmat3191.html
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10楼2013-07-03 19:14:05
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