锂硫电池综述

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1、锂硫电池综述摘要:本文主要综述锂硫电池正极材料的研究进展,主要的研究方向和研究内容。主要从这三个方面进行综述：硫碳复合材料、硫-导电聚合物复合正极材料、新结构体系的正极材料。关键词：锂硫电池；正极材料；硫碳复合材料；导电聚合物随着全球经济快速发展对能源需求的不断增长以及环境污染的日益严重，发展具有高能量密度、长循环寿命、高安全性、绿色环保和低成本的二次电池在新能源领域具有重大意义．与铅酸电池、镍镉电池等传统二次电池相比，锂离子电池具有放电电压高、能量密度高、循环寿命长、绿色环保等显著优点，因而迅速占据了便携式电子设备、电动工具、小型电动车等领域的大部

2、分市场．目前，锂离子电池的应用领域已扩展至电动汽车、智能电网、3G通信、航空航天、国防等多个领域，成为了21世纪最具应用前景的储能器件之一。在锂（离子）二次电池体系中，正极材料一直是制约电池发展的瓶颈．传统的过渡金属氧化物和磷酸盐等正极材料如LiCoO2,LiNiO2和LiFePO4等，由于其理论储锂容量的限制已难以满足快速发展的市场需求．因此，寻找和开发新型高比能量、安全、廉价的正极材料是目前研究的热点．以单质硫为正极的锂－硫二次电池[1]，其中硫正极具有高的理论比容量(1675mAh/g)和能量密度（2600Wh/kg），且单质硫具有价格低廉、资

3、源丰富、环境友好等优点，已成为下一代高能密度锂二次电池的研究和开发的重点。一、锂－硫电池的发展历史及研究现状利用单质硫作为正极材料最早是由Herbet和Ulam在1962年提出．通用汽车公司曾提出以硫为正极活性材料的热电池[2]，并将该电池用于他们早期的电动车计划。1976年Whitingham等人以层状TiS2为正极，金属锂为负极，成功开发出了Li-TiS2二次电池，并进行了中试实验研究，但由于锂“枝晶”等安全性问题而最终未能实现商品化．随后在70年代末80年代初，也有研究人员尝试开发有机体系的锂－硫电池。1980年，Armand等人首次提出了摇椅

4、电池（RockingChairBatteries）的构想：即用低嵌锂电势的化合物代替金属锂作为负极，高嵌锂电势的化合物做正极．1987年，Auborn等人成功装配出了MoO2(WO2)/LiPF6-PC/LiCoO2型的锂浓差电池．这时广大锂电研究者将更多的注意力投向了锂离子电池的研究，对锂－硫电池的研究陷入了低谷．1990年，Sony公司正式向市场推出了结构为Ｃ（焦炭）/LiPF6-PC-DEC/LiCoO2的第一代商品化锂离子二次电池．经过多年的发展，锂离子电池的生产工艺日趋完善．随着其在军用设备、移动电源、电动工具、笔记本电脑、电动汽车等各个领

5、域的广泛使用，人们对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求，从而，具有高能量密度的锂－硫电池再一次受到了锂电研究工作则的广泛关注．2009年，加拿大Nazar小组成功将有序介孔碳CMK-3与硫复合制备了高性能的锂－硫电池硫复合正极材料，再次掀起研究锂－硫电池的研究热潮。目前，国际上Sionpower、polypus、Moltech、英国oxis及韩国三星等公司正在抓紧研制锂－硫电池产品[3]．日本的目标是在2020年使锂－硫电池的能量密度达到500Wh/kg．美国则希望走得更快一些，Sionpower公司计划将锂－硫实验电池应用在无人飞机上，白天依靠太

6、阳能充电，晚上放电，实现了无人机连续飞行14d的记录．该电池比能量达到350~380Wh/kg，活性物质硫的利用率达到75%。2016年，美国预期将锂－硫电池的能量密度提高达到600Wh/kg，并实现1000次充放电循环。在国内，防化研究院、清华大学、南开大学、国防科技大学、北京理工大学等科研院所也正在进行锂－硫电池的研究。处于领先地位的是防化研究院，他们在2007-2011年已经研制出了容量为3AH，能量密度为320wh/kg，100%DOD充放电循环100次后容量保持率接近60%的锂－硫软包装电池[4]。二、硫复合正极材料的研究现状为了改善锂－硫

7、电池的循环稳定性，提高活性物质硫的利用率，近年来的研究重点主要集中在硫正极复合材料方面，主要为选用各种高导电且多孔性的材料为基底，将硫分散和固定到该基底上，形成高性能的硫正极复合材料．目前，硫正极复合材料主要包括硫碳复合材料[5]、硫-导电聚合物复合正极材料[6]、新结构体系的正极材料[7]等．与硫复合的基底材料应具备以下３个方面的特性：（１）良好的导电性；（２）拥有尺寸合适且丰富的孔道结构和一定的机械强度，可使活性物质硫在基质材料上高度分散．内部孔道网络即能保证离子和电子的传输，又能在放电过程中缓解体积膨胀和收缩应力造成结构坍塌．孔尺寸要适中，从而

8、限制多硫离子的溶出；（３）对活性物质具有良好的固定化作用．基底材料表面可以含有一定的官能团（如氧化石墨烯，含