聚集如此多世纪难题于一身的锂空电池,其可行性可以说已经非常渺茫了。再看锂硫电池,其负极采用金属锂、正极采用硫,硫的容量非常高,达到1600毫安时/克,这也是大家为什么研究它的原因。

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但锂硫电池也有不少痛点,首当其中的就是电极循环性能差。硫电极放电的时候不是直接生成硫化锂,而是逐步被还原,伴随多硫化锂中间产物的生成;多硫化锂会溶解在电解液中,发生溶解流失。溶解的多硫化锂一方面会扩散到负极还原、再在正极氧化,产生穿梭效应,导致低库伦效率和高自放电;另一方面,溶解的多硫化锂在充电过程中还会在正极表面优先沉积,导致电极因表面孔堵塞而失活,因此,电极循环性能很差。

目前,科研界的方法,是用多孔碳材料去阻挡、去吸附多硫离子,减少它的溶解流失。这种策略在学术上看似很有效,但实际作用非常有限。两者的主要区别在于实验室的研究工作都是基于很小的扣式电池,电极很薄、硫负载量不高,总的硫量大约在几个毫克级;而实际电池的硫含量较大(克级),且电极很厚、单位硫载量很高。

锂硫电池的第二个问题是锂负极的可充性,这也是难以短时间解决的问题。电化学反应必须包含几个串联的过程,第一个过程是反应物从本体溶液向电极表面的传输,称之为液相传质;第二个过程为反应物在电极表面得到或失去电子,形成产物的过程,称之为电化学反应步骤。哪个速度慢,电极反应就受哪个步骤控制。

对于锂电极来说,其电子交换过程非常快,因此液相传输是其反应控制步骤,也就是将锂离子从溶液本体传输到电极表面这一步相对慢。这就带来了一些问题,液相传递实际上是受对流影响的,只要有重力,就会存在对流,而电极表面每一点的对流速度并不相同,因此,每一点的反应速度也就不同。哪个地方长的快,锂离子的传输距离就越短,锂的沉积速度就越来越快,这就是锂枝晶生长的原因。

当然,正负极之间的距离不一样,电流的分布也就不一样,这也是导致锂枝晶生长的重要原因。显然,这些因素在实际电池中是很难避免的,因此,枝晶生长引起的锂的可充性问题不能说没有办法,而是目前还很难找到有效的方案。

第三个问题就是锂硫电池的体积能量密度比较低,可能仅与磷酸铁锂电池相当。因为硫是绝缘体,让它导电、让它反应、让它分散,就必须采用大量高比表面的碳,导致硫/碳复合材料的密度非常小;此外,硫的反应是先溶解再沉积,所以电极上必须存在大量的液相传输通道。

而现在大部分锂硫电池硫电极极片是不能压的,涂的什么样的就什么样,孔隙率特别高,所以其体积能量密度非常低。对于车来说,特别是乘用车来说,当能量密度达到一定值后,体积能量密度就更为重要了,因为乘用车没有那么多地方装电池。所以从这个意义来讲,至少在车用动力领域,锂硫电池是没有什么希望的。

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