鋰硫電池是鋰離子電池的一種，截止2013年尚處于科研階段。鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰離子電池。比容量高達(dá)1675mAh/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰離子電池的容量(《150mAh/g)。并且硫是一種對(duì)環(huán)境友好的元素，對(duì)環(huán)境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰離子電池。

鋰硫電池屬于鋰離子電池嗎、鋰離子電池和鋰硫電池有什么差別

中文名：鋰硫電池

比容量：高達(dá)1675mAh/g

電池正極：硫元素

電池負(fù)極：金屬鋰

鋰硫電池以硫?yàn)檎龢O反應(yīng)物質(zhì)，以鋰為負(fù)極。放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子，正極反應(yīng)為硫與鋰離子及電子反應(yīng)生成硫化物，正極和負(fù)極反應(yīng)的電勢(shì)差即為鋰硫電池所供應(yīng)的放電電壓。在外加電壓用途下，鋰硫電池的正極和負(fù)極反應(yīng)逆向進(jìn)行，即為充電過程。根據(jù)單位質(zhì)量的單質(zhì)硫完全變?yōu)镾2-所能供應(yīng)的電量可得出硫的理論放電質(zhì)量比容量為1675mAh/g，同理可得出單質(zhì)鋰的理論放電質(zhì)量比容量為3860mAh/g。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當(dāng)硫與鋰完全反應(yīng)生成硫化鋰(Li2S)時(shí)。相應(yīng)鋰硫電池的理論放電質(zhì)量比能量為2600Wh/kg。

硫電極的充電和放電反應(yīng)較復(fù)雜，截止2013年對(duì)硫電極在充電和放電反應(yīng)中出現(xiàn)的中間產(chǎn)物還沒有明確的認(rèn)識(shí)。鋰負(fù)極與硫正極的充放電反應(yīng)如式(1-1)至式(1-4)所示，硫電極的放電過程重要包括兩個(gè)步驟，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)放電平臺(tái)。式(1-2)對(duì)應(yīng)S8的環(huán)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)镾n2-(3≤n≤7)離子的鏈狀結(jié)構(gòu)，并與Li+結(jié)合生成Li2Sn，該反應(yīng)在放電曲線上對(duì)應(yīng)2.4—2.1V附近的放電平臺(tái)。式(1-3)對(duì)應(yīng)Sn2-離子的鏈狀結(jié)構(gòu)變?yōu)镾2-和S22-并與Li+結(jié)合生成Li2S2和Li2S，該反應(yīng)對(duì)應(yīng)放電曲線中2.1—1.8V附近較長(zhǎng)的放電平臺(tái)，該平臺(tái)是鋰硫電池的重要放電區(qū)域。YuanLixia等人研究了鋰硫電池中硫正極的電化學(xué)反應(yīng)過程。他們認(rèn)為放電時(shí)位于2.5—2.05V電位區(qū)間對(duì)應(yīng)單質(zhì)硫還原生成可溶的多硫化物及多硫化物的進(jìn)一步還原，位于2.05—1.5V電位區(qū)間對(duì)應(yīng)可溶的多硫化物還原生成硫化鋰固態(tài)膜，它覆蓋在導(dǎo)電碳基體表面。充電時(shí)，硫電極中Li2S和Li2S2被氧化S8和Sm2-(6≤m≤7)，并不能完全氧化成S8，該充電反應(yīng)在充電曲線中對(duì)應(yīng)2.5—2.4V附近的充電平臺(tái)。

典型的鋰硫電池一般采用單質(zhì)硫作為正極，金屬鋰片作為負(fù)極，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。

鋰硫電池以硫?yàn)檎龢O反應(yīng)物質(zhì)，以鋰為負(fù)極。放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子，正極反應(yīng)為硫與鋰離子及電子反應(yīng)生成硫化物，正極和負(fù)極反應(yīng)的電勢(shì)差即為鋰硫電池所供應(yīng)的放電電壓。在外加電壓用途下，鋰硫電池的正極和負(fù)極反應(yīng)逆向進(jìn)行，即為充電過程。根據(jù)單位質(zhì)量的單質(zhì)硫完全變?yōu)镾2-所能供應(yīng)的電量可得出硫的理論放電質(zhì)量比容量為1675mAh/g，同理可得出單質(zhì)鋰的理論放電質(zhì)量比容量為3860mAh/g。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當(dāng)硫與鋰完全反應(yīng)生成硫化鋰(Li2S)時(shí)。相應(yīng)鋰硫電池的理論放電質(zhì)量比能量為2600Wh/kg。

硫電極的充電和放電反應(yīng)較復(fù)雜，截止2013年對(duì)硫電極在充電和放電反應(yīng)中出現(xiàn)的中間產(chǎn)物還沒有明確的認(rèn)識(shí)。鋰負(fù)極與硫正極的充放電反應(yīng)如式(1-1)至式(1-4)所示，硫電極的放電過程重要包括兩個(gè)步驟，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)放電平臺(tái)。式(1-2)對(duì)應(yīng)S8的環(huán)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)镾n2-(3≤n≤7)離子的鏈狀結(jié)構(gòu)，并與Li+結(jié)合生成Li2Sn，該反應(yīng)在放電曲線上對(duì)應(yīng)2.4—2.1V附近的放電平臺(tái)。式(1-3)對(duì)應(yīng)Sn2-離子的鏈狀結(jié)構(gòu)變?yōu)镾2-和S22-并與Li+結(jié)合生成Li2S2和Li2S，該反應(yīng)對(duì)應(yīng)放電曲線中2.1—1.8V附近較長(zhǎng)的放電平臺(tái)，該平臺(tái)是鋰硫電池的重要放電區(qū)域。YuanLixia等人研究了鋰硫電池中硫正極的電化學(xué)反應(yīng)過程。他們認(rèn)為放電時(shí)位于2.5—2.05V電位區(qū)間對(duì)應(yīng)單質(zhì)硫還原生成可溶的多硫化物及多硫化物的進(jìn)一步還原，位于2.05—1.5V電位區(qū)間對(duì)應(yīng)可溶的多硫化物還原生成硫化鋰固態(tài)膜，它覆蓋在導(dǎo)電碳基體表面。充電時(shí)，硫電極中Li2S和Li2S2被氧化S8和Sm2-(6≤m≤7)，并不能完全氧化成S8，該充電反應(yīng)在充電曲線中對(duì)應(yīng)2.5~2.4V附近的充電平臺(tái)。

鋰硫電池重要存在三個(gè)重要問題：1、鋰多硫化合物溶于電解液;2、硫作為不導(dǎo)電的物質(zhì)，導(dǎo)電性非常差，不利于電池的高倍率性能;3、硫在充放電過程中，體積的擴(kuò)大縮小非常大，有可能導(dǎo)致電池?fù)p壞。

鋰硫電池存在的問題重要有：

第一、單質(zhì)硫的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性差，硫材料在室溫下的電導(dǎo)率極低(5.0×10-30S·cm-1)，反應(yīng)的最終產(chǎn)物L(fēng)i2S2和Li2S也是電子絕緣體，不利于電池的高倍率性能

第二、為鋰硫電池的中間放電產(chǎn)物會(huì)溶解到有機(jī)電解液中,新增電解液的黏度，降低離子導(dǎo)電性。多硫離子能在正負(fù)極之間遷移，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失和電能的浪費(fèi)。(Shuttle效應(yīng))。溶解的多硫化物會(huì)跨越隔膜擴(kuò)散到負(fù)極,與負(fù)極反應(yīng),破壞了負(fù)極的固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)。

第三、鋰硫電池的最終放電產(chǎn)物L(fēng)i2Sn(n=1~2)電子絕緣且不溶于電解液,沉積在導(dǎo)電骨架的表面;部分硫化鋰脫離導(dǎo)電骨架,無(wú)法通過可逆的充電過程反應(yīng)變成硫或者是高階的多硫化物,造成了容量的極大衰減。

第四、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,從而造成容量的衰減;這種體積效應(yīng)在紐扣電池下不顯著,但在大型電池中體積效應(yīng)會(huì)放大,會(huì)出現(xiàn)顯著的容量衰減，有可能導(dǎo)致電池的損壞，巨大的體積變化會(huì)破壞電極結(jié)構(gòu)

第五、鋰硫電池使用金屬鋰作為負(fù)極,除了金屬鋰自身的高活性,金屬鋰負(fù)極在充放電過程會(huì)發(fā)生體積變化,并容易形成枝晶。

第六、鋰硫電池實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究開展較多,單位面積上硫載量一般都在3.0mg·cm-2以下,開展高負(fù)載量極片的研究關(guān)于獲得高性能鋰硫電池具有重要價(jià)值。