[发明专利]一种光纤介导的集成化锂硫电池及其应用

说明书

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体涉及一种光纤介导的集成化锂硫电池及其在光辅助催化正极电化学反应和/或激活负极死锂方面的应用。所述锂硫电池包括正极、隔膜、负极，并注入电解液，其中，所述隔膜的至少一侧还设置有光催化辅助层，所述光催化辅助层包括光催化材料层和光纤介导层。本发明通过在隔膜与正、负极之间选择性设置光催化辅助层，在光源照射光纤介导层时引发光催化反应，从而加速正极硫氧化还原反应、促使负极惰性死锂的分解，以实现正极电化学反应动力学的提升和/或负极死锂的激活，进而能提高锂硫电池的电化学性能与使用寿命，且整体结构简单，便于产业化生产，具有广阔的工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体涉及一种光纤介导的集成化锂硫电池及其在光辅助催化正极电化学反应和/或激活负极死锂方面的应用。

背景技术

锂硫电池是一种以硫类物质为正极，以锂金属为负极的二次电池，具有很高的理论比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)。此外，硫单质具有来源广泛、成本低、对环境友好等优点。

但是，锂硫电池在研究与应用中还存在一些问题：(1)活性物质硫和放电产物硫化锂的绝缘性、硫正极复杂的多相和多电子氧化还原反应导致其反应动力学缓慢，实际容量利用率低；(2)充放电过程中的中间产物多硫化锂易溶于醚类电解液并迁移，多硫化锂会扩散到电池的负极锂片上形成硫化锂，导致正极上的活性物质的逐渐流失和电池负极的腐蚀，造成电池容量的快速衰减；(3)目前的研究表明，锂硫电池循环过程中，负极的金属锂会不断与电解液反应，生成的惰性产物沉积在表面形成死锂，死锂的主要成分是Li₂O、Li₂O₂、Li₂S等电子、离子绝缘体，无法参与后续的循环，从而导致电池的容量衰减和性能下降；此外，在电池循环过程中，由于锂的反复沉积和剥离带来的体积变化，持续有新鲜的金属锂暴露在电解液中，不仅导致死锂的不断生成，还会造成电解液的过度消耗，从而导致电池的性能断崖式下降。因此，对于现有的锂硫电池而言，提升其实际应用能力的关键在于加速其正极侧的反应动力学以及分解负极侧惰性的死锂使其重新具有电化学活性。

目前的研究大多采用过渡金属氧化物化学催化以加速正极侧反应动力学，但化学催化方式的催化效率不高，难以有效提升硫正极的转化效率。此外，目前对于负极侧死锂的激活与再利用的研究较少。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术问题，针对现有技术存在的不足，提供一种光纤介导的集成化锂硫电池，所述的光纤介导的集成化锂硫电池，其具有结构简单、操作简单、能快速响应催化锂硫电池正极氧化还原反应和/或激活负极死锂的优点，同时本发明还提供了一种所述的光纤介导的集成化锂硫电池在光辅助催化正极电化学反应及激活负极死锂方面的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的目的之一是提供一种光纤介导的集成化锂硫电池，所述锂硫电池包括正极、隔膜、负极，并注入电解液，其中，所述隔膜的至少一侧还设置有光催化辅助层，所述光催化辅助层包括光催化材料层和光纤介导层。

通过采用上述技术方案，隔膜与正、负极之间选择性设置有光催化辅助层，可实现如下两个功能；

功能一：当在隔膜与正极之间(即隔膜靠近正极一侧)设置有光催化辅助层，此时，在锂硫电池进行放电时，采用特定波长光源照射正极侧的光催化辅助层的光纤介导层，光纤介导层引导光束照射光催化材料层，光催化材料层上的半导体氧化物受光照影响产生光生电子，加速放电过程中硫还原反应，降低多硫化物生成硫化锂的反应能垒；在锂硫电池进行充电时，采用特定波长光源照射正极侧的光纤导光层，光纤介导层引导光束照射正极侧的光催化材料层，光催化材料层上的半导体氧化物受光照影响产生光生空穴，加速充电过程中的硫氧化反应，促进硫化锂向硫转变；