Qu’est-ce qu’une batterie lithium-sulfure?

Les batteries lithium-ion (LiCo02) sont une désintercération à électrons uniques, tandis que les batteries lithium-sulfure sont des redox à 8 électrons, de sorte que les batteries lithium-sulfure ont la théorie qu’elles sont 7-8 fois la capacité des batteries lithium-ion. Bien que les batteries au lithium polymère ont été largement utilisés dans les produits 3C, en raison de la densité énergétique limitée, c’est-à-dire, la durée de vie limitée de la batterie, ils ont besoin d’être chargés fréquemment, ce qui est une chose gênante. Le sentiment le plus intuitif est qu’après avoir changé le téléphone intelligent, tout le monde est en charge tous les jours, et même le trésor de charge ne quitte pas l’État. La société d’aujourd’hui a besoin d’un nouveau type de batterie lithium-ion avec un faible coût, aucune pollution, des performances stables, une grande capacité spécifique, et une densité d’énergie élevée pour répondre aux besoins d’une plus longue durée de vie de la batterie et une vitesse de charge plus rapide.

Histoire de développement de batteries lithium-sulfure : Les batteries lithium-ion ont une histoire de plus de 30 ans, et les batteries lithium-sulfure sont plus jeunes. En 1962, Herbet et Ulam ont proposé pour la première fois l’utilisation du soufre comme matériau cathodique et du perchlorate alcalin comme électrolyte.

Le premier système lithium-sulfure a été étudié comme une batterie primaire et même commercialisé pendant un certain temps, mais il a ensuite été remplacé par des batteries rechargeables et mis en attente. En 2009, Linda F. Nazar a proposé une batterie rechargeable secondaire lithium-sulfure sur Nature Materials, et a utilisé CMK-3 pour atteindre une capacité spécifique élevée de 1320mAh/g. Depuis lors, les batteries lithium-sulfure ont véritablement ouvert un chapitre dans le développement.

Le principe de la batterie lithium-sulfure : l’électrode positive de la batterie lithium-sulfure est un matériau contenant du soufre ou du soufre, et l’électrode négative est le lithium. La tension moyenne est de 2,1 V. En théorie, le système lithium-sulfure (Li-S) a une capacité spécifique de 1672mAh/g et une densité énergétique de 2600Wh/kg. Il s’agit d’une batterie lithium-ion commerciale traditionnelle avec LiCo02 comme électrode positive (capacité théorique spécifique 273.8mAh/g , densité d’énergie 360Wh/kg) environ 7 fois. Par rapport aux batteries lithium-ion ordinaires, la nature de la décharge des batteries lithium-sulfure n’est pas une simple désintercalisation lithium-ion, mais un processus redox accompagné d’un grand nombre de produits intermédiaires. Pendant le processus de décharge de la batterie de décharge lithium-soufre, le soufre élémentaire réagit avec Li de l’ouverture de l’anneau de cyclique S8, et la conversion de la longue chaîne Li2S8 à la chaîne courte Li2S est accompagnée de deux plates-formes de décharge évidentes, la plate-forme de décharge à fort potentiel est de 2,45 V—- 2.1V, le processus peut être considéré comme une grande quantité de S8 à S42- conversion, et la décharge à faible potentiel est de 2,1V-1.7V, ce processus est une grande quantité de S42- en S22- et S2-. D’autre part, différents degrés de conversion correspondent également à différentes capacités.

L’équation de réaction de décharge est la suivante :

Électrode positive: S8+16Li+e-→8Li2S

Électrode négative: Li→Li++e-

Réaction totale: 2Li+nS→Li2Sn→Li2S

Les batteries lithium-ion ordinaires sont une désintercalisation à électrons uniques, et les batteries lithium-sulfure sont des redox à 8 électrons, de sorte qu’elles ont 7 à 8 fois la capacité théorique et la densité énergétique. Semblables aux batteries lithium-ion traditionnelles, les batteries lithium-sulfure se composent d’une électrode positive, d’une électrode négative, d’un séparateur, d’un électrolyte et d’un séparateur. Par conséquent, les batteries lithium-sulfure sont considérées comme l’alternative la plus prometteuse aux batteries lithium-ion traditionnelles et deviennent une nouvelle source d’énergie pour une nouvelle génération d’équipements de stockage d’énergie.

Les matériaux de cathode de soufre sont un facteur clé limitant le développement et l’application des batteries lithium-sulfureuses, donc nous nous concentrons sur les cathodes de soufre. À l’heure actuelle, la cathode de soufre du système lithium-sulfure a également plusieurs problèmes à résoudre : effet de navette, mauvaise conductivité et expansion du volume.

1. Les polysulfides se dissolvent pendant le processus de décharge (Li2Sx, 3<>

2. La conductivité du soufre élémentaire et du sulfure de lithium du produit de décharge est faible, la conductivité de S (5×10-30S/cm, 25°C), la conductivité de Li2S/Li2S2 (~10-30S/cm), résultant en l’utilisation du soufre seulement environ 50-70%.

3. La transformation de l’orthorhombique α-S (ρ1=2.03g/cm3) à Li2S avec structure de fluorite inverse (ρ2=1.66g/cm3) a une expansion de volume importante, détruit la structure de l’électrode et affecte la stabilité du cycle.