注： 锂硫电池正极材料一般由硫和高导电性材料复合而成（硫本身不导电，必须加导电剂，而且是高导电性的）
典型的锂硫电池一般采用单质硫作为正极，金属锂片作为负极，它的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。
锂硫电池以硫为正极反应物质，以锂为负极。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。根据单位质量的单质硫完全变为S2-所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为1675 mAh/g，同理可得出单质锂的理论放电质量比容量为3860 mAh/g。锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂（Li2S）时。相应锂硫电池的理论放电质量比能量为2600 Wh/kg。
图1锂硫电池结构示意图 （来源见水印）
注：由于硫正极和锂负极在锂和电解液过量时会出现意想不到的问题，因此只有少数关于实用锂硫软包电池的报告可用
锂硫电解液的选择和工艺对锂硫电池的性能有着重要影响。通过合理选择溶剂、锂盐和添加剂，并优化制备工艺，可以显著提高电池的能量密度、功率性能和循环寿命。
2.1组成
锂硫电池的电解液一般由溶剂、锂盐和添加剂组成。在放电过程中，硫正极生成的多硫化物(如Li2S6、Li2S4等)会溶解在电解液中，并可能扩散到负极，导致穿梭效应。这会引起容量损失和自放电问题。需要通过选择合适的电解液溶剂和添加剂，调控多硫化物的溶解和沉积行为，抑制穿梭效应。每个组分的选择和优化直接影响电池的性能
图2 锂硫电池穿梭效应 （图片来源网络）
• 溶剂:
溶剂是电解液的主要组成部分，其作用是溶解锂盐并提供离子传导通道。常用的溶剂包括碳酸酯类(如碳酸乙烯酯，EC)，具有良好的电化学稳定性和离子导电性，但在锂硫电池中容易发生副反应。醚类(如二甲氧基乙烷，DME)和(二乙二醇二甲醚，DEGDME)，具有高离子导电性和良好的相容性，是锂硫电池常用的溶剂选择。磷酸酯类(如磷酸三乙酯，TEP)，具有高电化学稳定性和阻燃性，但离子导电性相对较低
• 离子导电性
离子导电性是衡量电解液性能的重要指标，直接影响电池的功率密度和充放电速率。离子导电性高的电解液能够更有效地传导锂离子，减少电池的内阻，提高电池的功率输出和效率。通常使用电化学阻抗谱(EIS)测量电解液的离子导电性，测量范围从10-3 S/cm到10-1 S/cm不等。影响因素:溶剂类型、锂盐浓度和温度均会影响电解液的离子导电性。一般来说，醚类溶剂和高浓度锂盐有助于提高离子导电性。
• 电化学稳定窗口
电化学稳定窗口是指电解液在电化学反应中保持稳定、不发生分解的电压范围。锂硫电池工作电压通常在1.7V到2.8V之间，因此电解液的电化学稳定窗口需要覆盖这个范围。通过循环伏安法(CV)测量电解液的电化学稳定窗口，确定其分解电压。影响因素:溶剂和添加剂的种类和比例会影响电解液的电化学稳定性。含有高电化学稳定性的溶剂和添加剂有助于扩大电解液的电化学稳定窗口。
• 粘度
粘度是电解液的物理性质之一，直接影响电解液的离子传导能力和电池的循环性能。低粘度的电解液有利于锂离子的快速传导，但可能导致电解液的挥发和泄漏；高粘度的电解液则能提高电解液的稳定性，但可能影响离子传导。通常使用旋转黏度计测量电解液的粘度。影响因素:溶剂类型、锂盐浓度和温度均会影响电解液的粘度。一般来说，醚类溶剂具有较低的粘度，而碳酸酯类溶剂具有较高的粘度。
• 温度适应性
通过在不同温度下测试电解液的离子导电性和电化学稳定性，评估其温度适应性。温度适应性是电解液在不同温度条件下保持稳定性能的能力。锂硫电池在实际应用中需要面对多种温度环境，因此电解液需要在宽温范围内保持良好的离子导电性和电化学稳定性。锂硫电池的安全性受多硫化物和金属锂负极化学反应的影响较大。因此，电解液的选择和优化需要特别关注其对化学稳定性和热稳定性的影响。需要选择具有高热稳定性和化学惰性的溶剂和锂盐，并添加阻燃剂，提高电池的安全性。溶剂的沸点和凝固点、锂盐的溶解度和添加剂的种类均会影响电解液的温度适应性。选择具有宽温度范围稳定性的溶剂和锂盐有助于提高电解液的温度适应性。
• 化学稳定性
通过长期储存和循环测试，评估电解液的化学稳定性。化学稳定性是电解液在长期使用中不发生化学分解和反应的能力。高化学稳定性的电解液可以延长电池的使用寿命，提高电池的安全性和可靠性。溶剂和锂盐的纯度、添加剂的种类和比例均会影响电解液的化学稳定性。选择高纯度的溶剂和锂盐、合理搭配添加剂可以提高电解液的化学稳定性。
•促进硫正极表面保护层的形成，控制多硫化物的溶解；
图4 硫在电解质中的溶解及其随后在碳集流体中的扩散和还原的示意图 （图片来源网络）
本文源自微信公众号：一起学电池
原文标题：《锂硫电池介绍及锂硫电解液》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3A4xs3oVMtBqaCOMYj2_fg
