Влияние состава серного электрода на электрохимические свойства литий-серных ячеек

Карасева Е.В., Колосницын В.С., Кузьмина Е.В.  Уфимский институт химии Российской академии наук, Уфа

Литий-серные аккумуляторы (ЛСА) являются новым поколением аккумуляторов с высокой удельной энергией. ЛСА являются аккумуляторами с жидким катодом, поскольку сера и промежуточные продукты её электрохимических превращений растворены в электролите. Положительный (серный) электрод ЛСА обычно включает три основных компонента – серу, углерод и связующее. Поскольку электрохимические превращения серы и промежуточных продуктов её восстановления - полисульфидов лития - осуществляются на поверхности углеродного материала, его свойства и содержание в электроде оказывают существенное влияние на скорости протекания электрохимических реакций и глубину превращений серы и её соединений. Для достижения максимальной глубины восстановления серы и обеспечения высокой удельной энергии необходимо оптимизировать содержание углерода в положительном электроде.

Нами было изучено влияние содержания сажи Ketjenblack EC-600JD на глубину восстановления серы и длительность циклирования литий-серных ячеек. Полученные результаты суммированы на рис. 1. Состав электродов и условия циклирования приведены в подрисуночной подписи.

С увеличением содержания сажи глубина восстановления серы первоначально быстро увеличивается, а затем практически не изменяется. Достичь полного восстановления серы не удается даже при относительно высоком содержании сажи (25 % вес.). Оптимальное содержание сажи в электроде составляет 10 % вес.

Содержание углерода в серном электроде оказывает существенное влияние и на скорость изменения емкости литий-серных ячеек в процессе длительного циклирования. Увеличение содержания углерода в серном электроде приводит к более глубокому восстановлению серы, но слабо влияет на скорость снижения емкости при длительном циклировании литий-серных ячеек. Интересно отметить, что длительность циклирования литий-серных ячеек с положительными электродами, содержащими более 20 % вес. углерода, существенно ниже, чем литий-серных ячеек с положительными электродами с меньшим содержанием углерода.

Таким образом, проведенное исследование показало, что содержание углерода в положительном электроде оказывает влияние не только на глубину восстановления серы, но и на длительность циклирования литий-серных ячеек.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты №14-29-04032 и №16-29-06190).

Рис. 1. Влияние содержания сажи на удельную разрядную емкость литий-серных ячеек, полученную на 1-м цикле (а), и изменение емкости в процессе их циклирования (б).

Состав положительного электрода:

связующее – 20 %, смесь серы и углерода 80 %

Ячейка: Li | сепаратор - Celgard 3501, 1M раствор LiClO₄ в сульфолане | S

i_заряда = 0,1 мA/cм²; i_{разряда} = 0,2 мA/cм²; DU = 1,5-2,8 В; t = +30 ⁰C