[发明专利]高比能锂-硫电池组及其运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学电源。具体地，它涉及二次化学电源的设计， 该二次化学电源包含由碱金属制成的负极和包含硫和/或基于硫的无 机以及有机(包括聚合的)化合物作为电极活性材料的正极。

发明背景

锂-硫可再充电电池组具有2600Wh/kg的高理论比能。然而，目 前可获得的锂-硫电池组原型的实际比能为250-350Wh/kg(Batteries for portable device(便携装置的电池组).G.Pistoia.Elsevier 2005 P.118； Handbook of batteries(电池组手册)/David Linden，Thomas B.Reddy. 3d ed.P.34-42)，这明显低于理论预期值。已知锂电池组的实际比能为 理论值的25-35％。因此能够预期锂-硫电池组的实际比能为约780 Wh/kg(2600Wh/kg的30％)。锂-硫电池组实际达到的比能相对于理论 值的较低值由锂-硫电池组在它们充电和放电期间电化学过程的具体 特征确定。

众所周知，元素硫能够以多种分子形式存在。在通常条件下，硫 八隅体(S₈)是最稳定的形式。元素硫在许多非质子电解质体系中可溶 (尽管溶解度非常小)。在许多情况下，硫在溶液中和在固态下的分子 形式是相同的。

在锂-硫电池组放电期间，硫的电化学还原以两个阶段实现(V.S. Kolosnitsyn，E.V.Karaseva，N.V.Shakirova，D.Y.Seung，and M.D. Cho，Cycling a Sulphur Electrode in Electrolytes Based on Sulfolane and Linear Ethers(Glymes)in an LiCF₃SO₃ Solution(在LiCF₃SO₃溶液中基 于环丁砜和直链醚(Glymes)的电解质中循环硫电极)//Russian Journal of Electrochemistry，Vol.38，No.12，2002，pp.1360-1363；V.S. Kolosnitsyn，E.V.Karaseva，D.Y.Seung，and M.D.Cho，Cycling a Sulphur Electrode in Mixed Electrolytes Based on Sulfolane：Effect of Ethers(在基于环丁砜的混合电解质中循环硫电极：醚的作用)// Russian Journal of Electrochemistry，Vol.38，No.12，2002，pp. 1314-1318；V.S.Kolosnitsyn，E.V.Karaseva，D.Y.Seung，and M.D. Cho，Cycling a Sulphur Electrode：Effect of Physicochemical Properties of Electrolyte Systems(循环硫电极：电解质系统的物理化学性质的作 用)//Russian Journal of Electrochemistry，Vol.39，No.10，2003，pp. 1089-1093；V.S.Kolosnitsyn，E.V.Karaseva，N.A.Amineva，and G.A. Batyrshina，Cycling Lithium-Sulphur Batteries(循环锂-硫电池组)// Russian Journal of Electrochemistry，Vol.38，No.3，2002，pp.329-331)。

在锂-硫电池组放电的第一阶段发生溶于电解质中的八隅体形式 的元素硫的还原或者含硫化合物的还原，产生多硫化锂(这些化合物易 溶于电解质)。硫八隅体还原的第一产物锂八硫化物在许多电解质体系 中不稳定。此外，它们发生歧化反应，剥离元素硫，其再次发生电化 学还原。硫八隅体还原的简化过程能够通过下式来描述：

S₈+2e^-+2Li⁺→L₂S₈              (1)

L₂S₈→Li₂S_n+S_(8-n)             (2)