锂硫电池在化学结合力载体的运用范文

摘要：随着新能源技术的不断发展，锂硫电池作为能源的存储中介，对提高能源的利用效率十分重要，通过锂硫电池的化学结合力的作用原理进行分析，探究了锂硫电池中具有化学结合作用的载体材料及具体的使用性能，为相关的工作人员提供借鉴与帮助。

关键词：锂硫电池；化学结合力；载体

1锂硫电池的化学结合力的作用原理

锂硫电池具体的化学反应方程式为：S8＋16Li2→8Li2S，在电池放电的过程中，锂金属阳极（负极）被氧化，形成锂离子以及等价电子，二者在电解质与外部电路的作用下，到达硫阴极（电池正极），硫离子与锂离子、电子进行还原反应，形成硫化锂，完成电池的放电过程。放电过程的化学反应方程式为，正极方程式：S8＋16Li++16e-→8Li2S，负极方程式为：Li→Li++e-。电池的充电反应过程中刚好与放电过程相反，相应的化学反应方程式为：Li++e-→Li，8Li2S→S8＋16Li++16e-，电池的充放电过程的方程式比较简单，但在实际的反应过程是十分复杂的，在放电的过程中，硫首先需要锂化而形成一系列的长链多硫化锂物质（如：S8，Li2，S8，Li2S6，Li2S4）等，而这些硫化锂物质十分容易溶解在醚基电解质中，在该反应中硫的总量占总容量的25%，在进一步反应锂化时，将更多的长链锂化物溶解为短链硫化物，这时生成的物质将会沉淀到电极上完成放电过程。整个充电与放电的过程中，铿硫电池经历固－液-固体三种状态的转变，这与传统的锂离子电池反应存在着明显的区别。在该化学反应的机理中，锂与硫的反应是一种聚合反应，需要具有化学结合作用的载体材料，形成化学结合力的作用于硫与聚合物之间，充电时，硫在与部分聚合物在温度达到200-300℃时，发生硫化反应，并以S-S与C-S键的形态存在于硫化反应的聚合物环境中。在放电的过程中，S-S与C-S键逐渐断裂，经过化学反应生成Li2S，并存在于聚合物基体中（载体可以是金属氧化物、氧化石墨烯等具有较强的化学结合作用），而在充电时可以将聚合物中的基体中的硫捕获在复制的环状结构中，在整个化学反应中，避免了电化学循环过程中形成的多硫化合物，使得锂硫电池具有很强的稳定性。

2锂硫电池中具有化学结合作用的载体材料

2.1金属氧化物载体材料

在锂硫电池充放电的过程中，通过金属氧化物载体材料与同为极性分子的多硫氧化物发生强烈的吸附作用，可以有效的作为锂硫电池反应的吸附剂，提高复合硫/碳电极材料的库仑效率，使得锂硫电池的初始放电容量与循环的稳定性，常用的纳米金属氧化物有Mg0.6Ni0.4O，Al203等，都具有很强的吸附功能，在锂硫电池中得到了广泛的应用，在电池充放电的过程中，可以直接作为吸附剂来提升锂硫电池的库仑效率、初始放电容量与循环稳定性。虽然金属氧化物具有很强的吸附能力，但由于金属氧化物的表面积小而且分子量大，在充放电的过程中具有一小部分多硫化物产生吸附作用，使得电池的容量不高，循环性与稳定性较差。因此，在锂硫电池中采用多孔TiO2作为锂硫电池中的碳/硫复合电极添加剂来增强电池的库仑效率、初始放电容量与循环的稳定性，多孔TiO2在化学反应的过程中，与硫共同作用生成TiO2/S，与其他的金属材料相比，TiO2同多孔碳的作用相似，多孔TiO2可以被高温液化的液化硫填充满，由于多孔TiO2具有很强的吸附能力，能够有效的分散硫化物，形成的TiO2/S复合电极的放电容量与循环稳定性比较高。随着技术的发展，在锂硫电池中开始采用介孔二氧化硅SBA-5或者纳米Al2O3碳/硫复合材料的添加剂，可以有效的抑制二氧化硅结合的多硫化合物穿梭。

2.2氧化石墨烯、功能化石墨烯载体材料

石墨烯因结构是单层碳原子构成的二维材料，具有优异的导电能力、超高的比表面积，在锂硫电池中得到了广泛的应用，能够将硫化物承载在具有较高表面积的石墨烯之间，在电池充放电的循环过程中，如果采用单纯的物理限制无法有效的抑制多硫化物从片层的开放处流失，因此，在对石墨烯内的材料运用到锂硫电池主要采用是氧化石墨烯（GO），可以有效的包裹硫化物颗粒，在电池内部形成导电网络，可以有效的保证硫离子在导电过程中的传输，降低不同物质之间的阻抗，能够大幅度的提高电池正极的化学活性，优化石墨烯的空间结构。在化学反应的过程中，氧化石墨烯（GO）可以与羟基、环氧基、碳基及梭基含氧官能团之间产生化学结合力，进而能够还原部分GO，GO不仅对单质硫具有一定的作用力，同时对化学反应中生成的S3－与S32－具有很强的化学吸附作用力，在反应中形成C－S与S－O键的形式与GO键结合在一起，这样硫只能吸附在GO官能团的外部，由于官能团羟基对于S32－的吸附能力极强，这对于提高整个化学反应具有良好的作用。由于在充放电的过程中，产生的还原氧化石墨烯片可对硫发挥物理限制，同时还具有很强的化学吸附力，在二者的协同作用下，可以有效的提升活性硫材料的利用效率，增加锂硫电池的效率。

2.3元素掺杂载体材料

在锂硫电池设计中，如果在本体电导率较低的金属氧化物、有机高分子材料中添加其他的化学元素，可以增强锂硫电池的化学作用吸附力，使得导电碳载体制备的复合硫电极具有良好的导电性能。在锂硫电池中添加氮元素能够提高碳基体的导电率与表面极性，增强了整个电池的导电性能，通过对N掺杂碳载体后，形成的含氧官能团在高温下能够与硫元素形成S－O键，在N原子的强负电性的作用下，使得载体在常温下也能够发生化学反应，通过与带电的Li+结合形成N-Li键的状态，可以有效的完成对电池中存在的多硫化物的吸附，碳载体在水热反应或高温碳化中，容易形成含氧官能团，如果在其中掺杂氮元素，可以增加溶液的活性，进而能够增强硫化物的化学吸附作用力，进而能够与硫及多硫化物产生S-O化学键力，提高电池本体的电导率。在电池中添加吡啶氮后，生成的强电负性的N原子能够与Li+发生化学反应，生成N-Li键，增强了碳基体的表面吸附能力，这样就能有效的增强碳基体表面对带负电的聚硫离子Sn2－的化学结合作用力，通过以上对掺杂元素载体材料的化学机理进行分析，采用N掺杂碳材料能够增加碳基体的表面吸附面积，可极为有效地稳定硫电极，提升锂硫电池的库仑效率、初始放电容量与循环稳定性。另外，在相关的应用中，可以运用碳纳米管、石墨烯以及中空碳球类的氮掺杂碳载体，也能够有效的提升碳基体的表面吸附能力，性能稳定，在高性能复合硫电极制备中的应用也得到了广泛的应用，在电化学催化领域也可以采用掺杂双元素材料来提高碳基体的表面吸附面积，以获得更多的活化位点，增强硫反应的化学结合力，通过掺杂不同的元素间可以形成协同催化的效果，提高锂硫电池的稳定性能。

2.4功能化的有机聚合物载体

聚苯胺（PANi）和聚丙烯肪（PAN）在锂硫电池中常用的两类有机聚合物，它们可以与硫进行反应，生成共扼高分子材料，在锂硫电池中用于电池的正极材料能够有效的固定多硫化物，进而能够提高锂硫电池的化学性能。高分子化合物因为制作比较简单，而且机械性能良好，在锂硫电池中经过掺杂之后，能够增强电池的导电性，通过化学聚合技术，将苯胺在硫的表面层上形成聚苯胺层，其P电子共扼结构和氨基为电子的传输形成通道，并具有很强的吸附能力，能够有效的减少硫化物的扩散，在锂硫电池中加入15%聚苯胺的S-PANi复合材料，通过实验发现，在0.2mA•cm-2电流密度下，可以将电池提供1134mAh•g-1的初始放电容量，对电池的性能有了明显的提高，比未改性硫电极提高了82.42%，这样通过将高分子化合物作为一种导电包覆层，在提高导电率的同时，增强了载体的化学结合力，提高了载体的吸附能力，还可以抑制多硫化物的扩散。在充放电的过程中，硫元素在与高分子化学物共热后，硫以S-S键与C-S键的形式存在于高分子化合物的杂环聚合物基体之中，在放电时S-S键与C-S键逐渐断裂，并与Li+发生化学反应，生成Li2S，在充电的过程中，硫离子在高分子聚合物内被捕获在杂环结构之内。

2.5金属有机骨架载体

这种材料载体充分的利用有机配体和无机金属单质混合在一起而形成的一种载体材料，在锂硫电池中也得到了广泛的应用，在锂硫电池中，存在大量的孤对电子的聚硫离子Sn2－混合物，它是一种路易斯碱性材料，容易与具有酸性材料的MOFs相互作用，就可以作为多硫化物的强化学性吸附的载体，而且MOFs具有高空隙率的特点，对多硫化物的吸附能力极强，可以通过物理作用与化学结合力的作用限制硫与多硫化物的流失。

3结束语

不同的载体材料对锂硫电池中多硫化物的结合作用与吸附能够提高电池的容量性能，提高复合硫/碳电极材料的库仑效率，使得锂硫电池的初始放电容量与循环的稳定性，此外利用功能性的聚合物可以与硫单质发生化学反应，能够有效的延迟锂硫电池在放电过程中出现的“穿梭效应”，提高锂硫电池的稳定性。

参考文献：

[1]刘帅，姚路，等.高性能锂硫电池研究进展[J].物理化学学报，2017（12）.

[2]李宛飞，刘美男，王健，等.化学改性碳在锂硫电池中的研究进展[J].物理化学学报，2017，33（01）:165-182.

作者:孟凡英 许艳霞 孙震 单位:张家口职业技术学院