Влияние поверхностной ёмкости положительных электродов на длительность циклирования литий-серных аккумуляторов

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

Изучено влияние содержания серы в положительных электродах (поверхностной ёмкости серных электродов) на характеристики литий-серных ячеек с электролитами на основе сульфолана – глубину электрохимического восстановления серы, изменение ёмкости и кулоновской эффективности в процессе циклирования. Показано, что причиной снижения ёмкости литий-серных ячеек на начальном этапе циклирования является вытеснение серы из тыльных областей пористого положительного электрода на лицевые (фронтальные). Установлено, что для достижения максимально возможной удельной энергии литий-серных аккумуляторов с электролитами на основе сульфолана поверхностная ёмкость положительных электродов должна лежать в диапазоне 2-3 мА⋅ч/см².

Авторы:

Карасёва Елена Владимировна, Институт органической химии Уфимского научного центра РАН, 450054, г. Уфа, пр-т Октября 71, karaseva@anrb.ru

Колосницын Дмитрий Владимирович, Уфимский Институт химии Уфимского федерального исследовательского центра РАН, Россия, 450054, г. Уфа, проспект Октября, д. 69, DKolosnitsyn@gmail.com

Кузьмина Елена Владимировна, Институт органической химии Уфимского научного центра РАН, 450054, г. Уфа, пр-т Октября 71, kuzmina@anrb.ru

Колосницын Владимир Сергеевич, Институт органической химии Уфимского научного центра РАН, 450054, г. Уфа, пр-т Октября 71, kolos@anrb.ru

Ключевые слова:

литий-серные ячейки (аккумуляторы), содержание серы в положительном электроде, поверхностная ёмкость серного электрода, полисульфиды лития, циклирование, электролиты на основе сульфолана

Литература

1. Beyond Li-Ion High Energy & Power Cells Market: [презентация] / Shmuel De-Leon Energy, Ltd. 2018. URL: https://www.sdle.co.il/wp-content/uploads/2018/12/27-Beyond-Li-Ion-battery-High-Energy-and-Power-Cells-Market2018-for-conferences.pdf (дата обращения: 26.09.2022).

2. Risse S., Angioletti-Uberti S., Dzubiella J., Ballauff M. Capacity fading in lithium/sulfur batteries: A linear four-state model // J. Power Sources. 2014. № 267. P. 648–654. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.05.076

3. Mikhaylik Y. V., Akridge J. R. Polysulfide Shuttle Study in the Li/S Battery System // J. Electrochem. Soc. 2004. Vol. 151, № 11. P. A1969–A1976. https://doi.org/10.1149/1.1806394

4. Newman J. S., Tobias C. W. Theoretical Analysis of Current Distribution in Porous Electrodes // J. Electrochem. Soc. 1962. Vol. 109. P. 1183–1191.

5. Newman J., Thomas-Alyea E. K. Electrochemical System. 3rd ed. Canada : John Wiley & Sons, 2014. 641 p.

6. Ксенжек О. С. Пористые электроды. Теория, методы исследования, некоторые вопросы применения: дис. … д-ра хим. наук. Днепропетровск, 1965. 298 с.

7. Electrolytes for Lithium and Lithium-Ion Batteries / eds. T. R. Jow, K. Xu, O. Borodin, M. Ue. Springer, 2014. Vol. 58. 476 p. (Modern Aspects of Electrochemistry). https://doi.org/10.1007/978-1-4939-0302-3

8. Мочалов С. Э., Антипин А. В., Нургалиев А. Р., Колосницын В. С. Многоканальный потенциостат-гальваностат для циклических испытаний аккумуляторов и электрохимических ячеек // Электрохимическая энергетика. 2015. Т. 15, № 1. С. 45–50.

9. Мочалов С. Э., Антипин А. В., Колосницын В. С. Многоканальное устройство тестирования вторичных химических источников тока и электрохимических ячеек // Научное приборостроение. 2009. Т. 19, № 3. С. 88–92.

10. Мочалов С. Э., Антипин А. В., Нургалиев А. Р., Колосницын Д. В., Колосницын В. С. Аппаратно-программный комплекс для исследования зарядно-разрядных характеристик вторичных химических источников тока // Приборы и техника эксперимента. 2021. № 4. С. 133–140. https://doi.org/10.31857/S0032816221040078

11. Свид. 2021668129 РФ. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. «ElChemLab, DATA Analyzer ver. 2.0» / Д. В. Колосницын ; правообладатель УФИЦ РАН (RU). Опубл. 10.11.2021. Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

12. Колосницын Д. В., Кузьмина Е. В., Карасева Е. В. Автоматизация обработки данных электрохимических исследований аккумуляторных ячеек // Электрохимическая энергетика. 2019. Т. 19, № 4. С. 186–197. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2019-19-4-186-197

13. Zheng D., Wang G., Liu D., Si J., Ding T., Qu D., Yang X., Qu D. The Progress of Li-S Batteries – Understanding of the Sulfur Redox Mechanism: Dissolved Polysulfide Ions in the Electrolytes // Advanced Material Technologies. 2018. Vol. 3, № 9. Article number 1700233. https://doi.org/10.1002/admt.201700233

14. Хамитов Э. М., Кузьмина Е. В., Колосницын Д. В., Колосницын В. С. Теоретическое исследование электрохимического восстановления серы в литий-серных ячейках: образование октасульфида лития // Журн. физ. химии. 2019. Т. 93, № 6. С. 895–899.

15. Schön P., Krewer U. Revealing the complex sulfur reduction mechanism using cyclic voltammetry simulation // Electrochimica Acta. 2021. Vol. 373, № 12. Article number 137523. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137523

16. Zou Q., Lu Y.-C. Solvent-Dictated Lithium Sulfur Redox Reactions: An Operando UV-vis Spectroscopic Study // J. Phys. Chem. Lett. 2016. Vol. 7. P. 1518–1525. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6b00228

17. Колосницын В. С., Шеина Л. В., Мочалов С. Э. Физико-химические и электрохимические свойства растворов литиевых солей в сульфолане // Электрохимия. 2008. Т. 44, № 5. С. 620–623.

Журнал:

2022. Т. 22, № 3,

DOI:

https://doi.org/10.18500/1608-4039-2022-22-3-113-128

Текст в формате PDF:

скачать

(downloads: 48)