由于電子產品的廣泛使用，以及當下新能源車的迅速普及，我們似乎可以這么說，過去沒有哪一個時代，比我們現在更關心電池的能量密度了。
大眾較為了解的三元鋰電池，其電芯的能量密度可以達到300瓦時/千克，然而，一種技術還不成熟，且還未獲得廣泛應用的鋰硫電池，能輕松實現600瓦時/千克的能量密度，而理論能量密度更是高得驚人！
國際電池材料協會發布的《鋰硫電池白皮書》中指出，鋰硫電池的理論能量密度為2600瓦時/千克！
如此誘人的能量密度，必然會吸引各國技術人員進行研究。今年2月29日，國家自然科學基金委員會發布了2023年度“中國科學十大進展”，一項有關鋰硫電池的研究成功入選。今天，咱們就來好好了解一下這種電池。
同族元素
各種正在研究的電池中，要說能量密度最高的，其實還不是鋰硫電池，而是鋰空氣電池，它的理論能量密度高達3500瓦時/千克以上，比鋰硫電池的理論能量密度高很多。
其原理是以鋰為負極材料，以空氣中的氧為正極材料。放電時，氧氣在催化劑的作用下與鋰離子反應生成過氧化鋰；充電時，氧化鋰分解生成氧氣和鋰離子。
毫無疑問，這種電池目前還存在大量的技術難點，比如：
?放電時生成的氧化鋰會沉積起來，繼而阻礙電池的充放電效率。
?空氣中的水分和雜質會對電池造成腐蝕，縮短電池壽命。
因此，目前實驗室在研究“鋰空氣電池”時，常常是在“純氧”環境下進行的。也許未來會成功，但是目前，鋰空氣電池還不是我們能達到的成熟技術。
既然使用“氧氣”作為鋰電池的正極太超前，那么，是否存在稍微現實一點的材料呢？當然是有的。
元素周期表，圖片來自Wikipedia。
在元素周期表中，鋰元素和鈉元素屬于同族元素，它們擁有相似的化學性質。因此，在鋰離子電池廣泛使用的今天，鈉離子電池也逐漸走向了商用，且未來可期。
元素周期表，圖片來自Wikipedia。
在元素周期表中，氧和硫亦屬于同族元素，兩者具備相似的化學性質。既然“氧”在鋰空氣電池中可以作為正極，那么同族元素的硫，也同樣可以作為電池中的正極——這便是鋰硫電池。
鋰硫電池的歷史
鋰硫電池的研究始于20世紀60年代。
1967年，Herbert和Ulam首次提出，可以將硫作為鋰電池的正極材料。需要注意的是，此時提出的“鋰硫電池”還屬于原電池，也就是一次性使用的電池。
20世紀80年代，Plichta等人研究了鋰硫電池的充放電機制。
20世紀90年代起，鋰硫電池的研究取得了重大進展，能量密度不斷提高。然而，鋰硫電池的安全性和經濟性比較差。
2014年后，鋰硫電池開始小量進入嘗試應用階段。
大型太陽能無人機上的應用
圖為歐洲空客公司設計制造的Zephyr系列大型太陽能無人機，圖片來自Wikipedia。
2014年，大型太陽能無人機Zephyr7，也就是“西風7號”，使用鋰硫電池連續飛行了11天。Sion Power當時為它提供的鋰硫電池，其能量密度高達350瓦時/千克。
似乎350瓦時/千克這個能量密度看起來一般般，但需要注意的是，這可是在10年前的2014年。彼時，新能源車才剛剛起步，那時使用的鋰離子電池，其能量密度現在看來低得可憐。
雖然西風7號使用的是鋰硫電池，但較新的“Zephyr S”，也叫“西風8號”，其在2022年實現了64天的高空連續飛行，然而，在“西風8號”上卻并未使用鋰硫電池。這也從側面說明，鋰硫電池目前還處于小量嘗試應用階段。
2020年，裝載了鋰硫電池并由韓國航空航天研究所開發的高空太陽能無人機“EAV-3”，成功進行了平流層飛行試驗。
EAV-3太陽能無人機，圖片來自Wikipedia。
在2020年的這次飛行試驗中，EAV-3最高飛行高度為22千米。在總長為13個小時的飛行中，無人機在12千米至22千米高度的平流層中穩定飛行了7個小時。
鋰硫電池優勢
綜上，我們可以看出，鋰硫電池已處在小范圍嘗試應用中。跟傳統鋰離子電池相比，它有以下兩大核心優勢：
1、鋰硫電池的理論能量密度遠超傳統鋰離子電池。
10年前，鋰硫電池就已經實現350瓦時/千克，而目前的傳統鋰離子電池也沒有超越此能量密度。
能量密度又叫“質量能量密度”，它是指單位質量所具有的能量。例如：
兩組質量相同的電池，A電池組的能量密度為200瓦時/千克，B電池組的能量密度為400瓦時/千克，那這就意味著：在相同使用環境下，A電池組的續航時間將是B電池的兩倍。
飛行于兩萬米以上空氣極為稀薄的大型太陽能無人機，它們極其在乎自身的重量，因此，它們在早期嘗試使用了鋰硫電池，而核心目的就是讓電池組盡可能輕，同時儲能容量盡可能大。
黃色的硫磺燃燒時會融化成血紅色液體并發出藍色火焰。圖片來自Wikipedia。
2、鋰硫電池中的“硫”材料，價格極為低廉，且全球儲量豐富。
若未來鋰硫電池技術真的成熟了，獲得大規模使用后，也不大會被硫的稀缺問題和價格問題所困擾。
一名男子從印度尼西亞某火山中攜帶硫磺塊，圖片來自Wikipedia。
鋰硫電池當前的困難
單質硫和硫化鋰的體積差異懸殊，在電池的還原反應中，從單質硫變成“一硫化二鋰”時會帶來80%左右的體積膨脹。
?體積膨脹
換句話說，鋰硫電池的體積會比較大。如果是前面提到的大型太陽能無人機倒還好，因為其本身體積巨大，所以對電池體積的膨脹有不小的承受空間。
而換作我們身邊常用的手機或汽車就有點讓人頭疼了，因為這兩者都對電池體積的大小有限制，尤其是手機。
?穿梭效應
體積膨脹并非最大的困難，鋰硫電池目前最大的技術難點是“多硫化鋰穿梭效應”。
鋰硫電池在充放電過程中，中間產物多硫化鋰會溶解在電解液中，并遷移到電池負極，繼而與鋰金屬發生反應，生成新的硫化鋰。這一過程稱為“多硫化鋰穿梭效應”，會導致電池容量快速衰減，循環壽命縮短。
鋰硫電池工作原理及“穿梭”效應，圖片來自Wikipedia。
最新進展
為了解決當前的技術難點，研究人員需要對鋰硫電池內部發生的化學反應了解得清楚一些，再清楚一些，繼而才能針對性地解決問題。
然而，由于傳統的原位顯微研究技術的時空分辨率低，以及鋰硫體系不穩定等因素，人們很難做到這一點。
2023年度“中國科學十大進展”中，來自廈門大學的廖洪鋼、孫世剛和北京化工大學陳建峰等人，他們開發出了高分辨電化學原位透射電鏡技術，對鋰硫電池界面反應實現了原子尺度動態實時觀測和研究。
更重要的是，近百年來，“電化學界面反應”通常被認為僅存在“內球反應”和“外球反應”單分子途徑。
而這次，我國研究人員的研究揭示出還存在第三種途徑，這就是“電荷存儲聚集反應”。
無疑，這個新發現將為鋰硫電池未來的設計提供指導。
參考資料：
[1]https://sionpower.com/2014/sion-powers-lithium-sulfur-batteries-power-high-altitude-pseudo-satellite-flight/
作者：寒木釣萌 科普作家、科技部“全國優秀科普作品獎”獲得者
審核：張海軍 中國民航大學安全科學與工程學院教授、天津市應急管理學會副秘書長、波多黎各大學化學系博士后
出品：科普中國
監制：中國科學技術出版社有限公司、中科數創（北京）數字傳媒有限公司
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