锂/硫化铁电池:特性、性能与应用前景
1. 锂/硫化铁电池的发展与基本特性
1.1 发展历程
对具有碱金属电极和熔盐电解质的电化学电池的研究始于1961年。当时的研究旨在开发热再生原电池,以实现将热能直接转化为电能。到了1968年,锂/硫电池被发明出来,该电池使用元素锂和硫作为电极活性材料,搭配熔融的LiCl - KCl电解质。不过,由于在容纳电极活性材料方面存在问题,1973年对锂/硫电池的开发尝试被放弃。后来,通过用锂合金替代负极中的元素锂,用金属硫化物替代正极中的元素硫,这些问题得到了解决。
1.2 基本特性
锂合金/金属硫化物电池采用熔盐电解质和固体多孔电极,根据电解质成分的不同,其工作温度范围在375至500°C之间。在这样的高温下使用熔盐电解质,由于电解质的高导电性和快速的电极动力学,能够实现高功率密度。从棱柱形电池设计向双极设计的转变,通过降低电池阻抗进一步提升了功率特性。
通常,锂与铝或硅的合金被用作可逆的固体负极。这些合金将锂的活性降低到可控水平,从而产生高库仑效率。双组分锂合金(如Li - Al和Li₅Al₅Fe₂)负极材料的开发,使得电池在充电结束时负极的锂活性增加,从而具备了原位过充耐受能力。
多种金属硫化物,如铁、镍、钴等,都可以用作正极。出于成本考虑,商业应用中通常选择FeS或FeS₂,而其他金属硫化物则适用于对成本不太敏感的特殊电池应用。将仅在其高压平台上工作的致密FeS₂正极与低熔点的LiCl - LiBr - KBr电解质相结合,实现了一种稳定、可逆且高性能的锂/二硫化铁电池技术。
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