Li-S二次電池硫正極電極過程及容量衰減機理研究.pdf

1、隨著社會進步對高能量密度二次電池的需求逐步增加，Li-S電池開始走進人們的視野。Li-S二次電池相比于傳統(tǒng)鋰離子電池有諸多優(yōu)勢，如理論比能量高達2600Wh/kg，正極硫理論比容量可達1680mAh/g，且單質硫儲量豐富，環(huán)境友好，廉價易得。但目前Li-S二次電池可實現(xiàn)的實際比容量遠低于理論比容量，循環(huán)壽命也很難滿足大規(guī)模應用需求，因此，Li-S二次電池的實用化進程面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。
　　本文針對Li-S二次電池硫正極的電極過程及容

2、量衰減機理展開研究。采用ICP-OES、UV-VIS、HPLC與LC-MS等方法對溶解于電解液中的活性物質聚硫鋰進行定性與定量分析，采用SEM、EDS、FTIR、Raman和XPS等方法對正極固態(tài)產(chǎn)物進行定性與定量分析，對硫正極的電極過程及容量衰減機理進行了深入研究。根據(jù)電極過程動力學的基本理論，對Li-S二次電池中帶電粒子在電極/溶液界面?zhèn)髻|過程進行分析，結合電解液中溶解聚硫鋰的種類及含量的研究結果，以及正極固相產(chǎn)物的研究結果，對Li

3、-S電池的硫正極電極過程進行總結。
　　研究結果表明，電解液中溶解聚硫鋰主要以Li2S6和Li2S4的穩(wěn)態(tài)形式存在。放電過程結束時，電解液中總硫含量約為正極硫負載量的20％。充電過程結束時，電解液中總硫含量約為正極硫負載量的45%。循環(huán)結束時，電解液中總硫含量， Li2S6和Li2S4含量沒有隨著循環(huán)次數(shù)的增加而變化。聚硫鋰在電解液中溶解會降低硫活性物質的轉化效率，降低電池放電容量，在電池20次循環(huán)以內(nèi)，不是導致Li-S二次電池性

4、能持續(xù)衰減的主要原因。
　　研究結果表明，放電循環(huán)結束時，正極上產(chǎn)物主要是放電產(chǎn)物Li2S2和Li2S，電解液分解產(chǎn)物ROLi和HCO2Li，以及硫活性物質的不可逆氧化產(chǎn)物LixSOy。在充電循環(huán)過程中，大量的ROLi和HCO2Li會隨著Li2S2和Li2S向可溶長鏈聚硫鋰轉化，再次進入電解液體系中，正極上主要產(chǎn)物是少量ROLi和HCO2Li及大量LixSOy，這些沉積物能夠對聚硫鋰從正極結構中溶出所產(chǎn)生的空間，起到支撐作用，所以

5、隨著循環(huán)的進行，正極體積沒有發(fā)生顯著的周期性膨脹收縮變化。
　　在20次循環(huán)內(nèi)，Li2S2和Li2S的可逆性良好，對電池容量衰減的影響有限。在0.5M LiNO3/DOL/DME電解液體系中，首次充電循環(huán)結束時，正極上約有24%的硫以氧化態(tài)存在，20次充電循環(huán)后，超過50%的硫以氧化態(tài)存在，說明隨著循環(huán)的進行，硫活性物質的氧化加劇。在0.5M LiTFSI/DOL/DME電解液體系中，20次充電循環(huán)后氧化態(tài)硫含量高達70%。硫活性

6、物質的不可逆氧化可能是導致Li-S二次電池容量衰減的重要影響因素。
　　論文中選用了超導碳Super-P，介孔碳CMK-3及MC三種具有不同結構的碳材料作為正極導電骨架，對各種碳材料及C/S復合材料的結構參數(shù)進行表征，研究了導電碳結構對硫正極的影響。雖然三種碳材料的比表面積，孔容積及孔結構差異較大，但是由三種材料制備的Li-S二次電池性能相當，首次放電比容量約為1200mAh·g-1，20次循環(huán)后放電比容量為800-900mAh·

7、g-1，充放電效率約為80%。三種C/S復合材料正極體系，電解液中溶解總硫含量水平相當，且變化規(guī)律基本相同。說明三種體系中導電碳骨架對硫的分散能力、對電子的傳導能力及抑制聚硫離子“飛梭”的能力相當。20次充電循環(huán)后，正極上以氧化態(tài)存在的硫活性物質均超過50%，Super-P/S及CMK-3/S正極頂部和底部產(chǎn)物分布略有差異，但不顯著。MC/S體系正極頂部和底部成分有較大差異，說明在介孔碳MC構建的正極導電結構中，產(chǎn)物分布的均勻性相對較差

8、。但是三種C/S體系電池性能水平相當，說明與其他影響電池性能的因素相比，在循環(huán)次數(shù)較少的情況下，導電碳結構對電池性能的影響有限。
　　為了進一步探討硫正極容量衰減機理，分別對電解質鹽，電解液溶劑以及“飛梭效應”等因素對硫正極產(chǎn)物的影響進行了系統(tǒng)研究。研究表明，電解液溶劑DME和DOL的穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生分解，分解產(chǎn)物ROLi和HCO2Li的沉積使正極結構被破壞。電解質鹽LiNO3能夠與聚硫鋰發(fā)生化學氧化反應，造成活性物質的不可逆

9、氧化，因此LiNO3雖然是效果良好的“飛梭”抑制劑，但是并沒有顯著提高Li-S二次電池的循環(huán)性能?！帮w梭效應”是導致硫活性物質的不可逆氧化的主要原因。在“飛梭效應”活躍的體系中，充電過程被延長，電解液中的Sn2-基團在氧化環(huán)境下與電解液溶劑分解產(chǎn)物中的-OLi基團發(fā)生反應，生成LixSOy。
　　論文中制備了高性能LiNO3-Li2Sn（3≤n≤8）復合電解液體系，明顯改善了Li-S二次電池的循環(huán)性能，100次循環(huán)后電池的充放電效