Cd|KOH|NiOOH

Zn|NH4CI|MnO2

Li|LiClO4|MnO2

Pb|H2SO4|PbO2

H2|KOH|O2

Моделирование характеристик литий-серных аккумуляторов на основе экспериментальной оценки электрохимических свойств электродных материалов

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

Для моделирования характеристик литий-серных аккумуляторов на основе экспериментальной оценки электрохимических свойств электродных материалов разработано программное обеспечение «Battery Designer», входящее в состав программного пакета «ElChemLab». Описаны возможности программного обеспечения. Проведено сравнение удельной энергии литий-серных аккумуляторов при различной поверхностной ёмкости положительного электрода и при различном количестве электролита. Показано, что для создания литий-серных аккумуляторов с более высокими удельными характеристиками по сравнению с литий-ионными аккумуляторами ёмкость положительного электрода литий-серных аккумуляторов должна быть в диапазоне 4.5–15 мА⋅ч/см2, количество заложенного электролита – не более 3 мкл/мА⋅ч.

Литература

1. Aneke M., Wang M. Energy storage technologies and real life applications – A state of the art review // Applied Energy. 2016. Vol. 179. P. 350–377.

2. Benvenistea G., Rallo H., Canals L., Merino A., Amante B. Comparison of the state of lithium-sulphur and lithium-ion batteries applied to electromobility // J. Environ. Manage. 2018. Vol. 226. P. 1–12. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.08.008

3. Kim P. J., Fontecha H. D., Kim K. K., Pol V. G. Toward high-performance lithium–sulfur batteries : upcycling of LDPE plastic into sulfonated carbon scaffold via microwave-promoted sulfonation // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 10, № 17. P. 14827–14834. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.8b03959

4. Brucel P. G., Freunberger S. A., Hardwick L. J., Tarascon J.-M. Li–O2 and Li–S batteries with high energy storage // Nature materials. 2012. Vol. 11, № 1. P. 19–29. DOI: https://doi.org/10.1038/nmat3191

5. Handbook of chemistry and physics / ed. D. R. Lide. 85th ed. Boca Raton ; London ; New York ; Wachington : CRS Press, 2005. 2712 p.

6. Cleaver T., Kovacik P., Marinescu M., Zhang T., Offerb G. Perspective-commercializing lithium sulfur batteries : Are we doing the right research? // Electrochem. Soc. 2018. Vol. 165, iss. 1. P. 6029–6033. DOI: https://doi.org/10.1149/2.0071801jes

7. Hannauer J., Scheers J., Fullenwarth J., Fraisse B., Stievano L., Johansson P. The quest for polysulfides in lithium–sulfur battery electrolytes : An operando confocal raman spectroscopy study // ChemPhysChem. 2015. Vol. 16. P. 2755–2759. DOI: https://doi.org/10.1002/cphc.~201500448

8. Cuisinier M., Cabelguen P.-E., Evers S., He G., Kolbeck M., Garsuch A., Bolin T., Balasubramanian M., Nazar L. F. Sulfur speciation in Li-S batteries determined by operando X-ray absorption spectroscopy // Phys. Chem. Lett. 2013. Vol. 4. P. 3227–3232. DOI: https://doi.org/10.1021/jz401763d

9. Yu X. Q., Pan H. L., Zhou Y. N., Northrup P., Xiao J., Bak S., Liu M. Z., Nam K.l., Qu D. Y., Liu J., Wu T. P., Yang X. Q. Direct observation of the redistribution of sulfur and polysufides in Li–S batteries during the first cycle by in situ X-Ray fluorescence microscopy // Adv. Energy Mater. 2015. Vol. 5, iss. 16. 1500072. DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.201500072

10. Rezan Demir-Cakan. Li-S Batteries : The Challenges, Chemistry, Materials, and Future Perspectives. New Jersey : World Scientific Publishing Europe Ltd., 2017. 372 p.

11. Xi K., Kidambi P. R., Chen R., Gao C., Peng X., Ducati C., Hofmann S., Kumar R. V. Binder free three-dimensional Sulphur. Few-layer graphene foam cathode with enhanced high-rate capability for rechargeable lithium sulphur batteries // Nanoscale. 2014. Vol. 6, № 11. P. 5557–6188.

12. Mikhaylik Yu.V., Kovalev I., Schock R., Kumaresan K., Xu J., Affinito J. High energy rechargeable Li-S cells for EV application : Status, remaining problems and solutions // ECS Transactions. 2010. Vol. 25, iss. 35. P. 23–34. DOI: https://doi.org/10.1149/1.3414001

13. Oxis Energy. Our Cell and Battery Technology Advantages. URL: https://oxisenergy.com/technology/ (дата обращения: 01.02.2019).

14. Hunt I. A., Patel Y., Szczygielski M., Kabacik L., Offer G. J. Lithium sulfur battery nail penetration test under load // J. Energy Storage. 2015. Vol. 2. P. 25–29. DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2015.05.007

15. Chung S.-H., Chang C.-H., Manthiram A. Progress on the critical parameters for lithium-sulfur batteries to be practically viable // Adv. Funct. Mater., 2018. Vol. 28, iss. 28. 1801188(1-20). DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.201801188

16. 1D isothermal lithium-ion battery. URL: https://www.comsol.ru/model/1d-isothermal-lithium-ion-battery-686 (дата обращения: 01.02.2019).

17. Свидетельство 02019611983 Рос. Федерация. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «ElChemLab, Battery Designer» / Д. В. Колосницын ; правообладатель УФИЦ РАН (RU). Опубл. 07.02.2019, реестр программ для ЭВМ. 1 с. 

18. Li M., Zhang Y., Hassan F., Ahn W., Wang X., Liu W., Jianga G., Chen Z. Compact high volumetric and areal capacity lithium sulfur batteries through rock salt induced nano-architectured sulfur hosts // J. Mater. Chem. A. 2017. Vol. 5, iss. 40. P. 21435–21441. DOI: https://doi.org/10.1039/c7ta06657k

19. Sun Q., Fang X., Weng W., Deng J., Chen P. N., Ren J., Guan G. Z., Wang M., Peng H. S. An aligned and laminated nanostructured carbon hybrid cathode for high-performance lithium–sulfur batteries // Angew. Chem. Int. Ed. 2015. Vol. 54. P. 10539–10544. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.201504514

20. McCloskey B. D. Attainable gravimetric and volumetric energy density of Li–S and Li-Ion battery cells with solid separator-protected Li metal anodes // Phys. Chem. Lett. 2015. Vol. 6, № 22. P. 4581–4588. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b01814

21. Song M.-K., Cairns E. J., Zhang Y. Lithium-sulfur batteries with high specific energy : old challenges and new opportunities // Nanoscale. 2013. Vol. 5. P. 2186–2204. DOI: https://doi.org/10.1039/c2nr33044j

22. Assary R. S., Curtiss L. A., Moore J. S. Toward a molecular understanding of energetics in Li–S batteries using nonaqueous electrolytes : a high-level quantum chemical study // Phys. Chem. C. 2014. Vol. 118, № 22. P. 11545–11558. DOI: https://doi.org/10.1021/jp5015466

23. Kuzmina E. V., Karaseva E. V., Kolosnitsyn D. V., Sheina L. V., Shakirova N. V., Kolosnitsyn V. S. Sulfur redistribution between positive and negative electrodes of lithiumsulfur cells during cycling // J. Power Sources. 2018. Vol. 400. P. 511–517. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.08.045

Текст в формате PDF:
(downloads: 300)