具有能量密度高、容量大、環(huán)保、廉價等特點的鋰硫電池被稱為是繼鋰離子電池之后下一代動力電池體系的發(fā)展方向。

近日，西安交大化工學(xué)院李明濤課題組在影響鋰硫電池應(yīng)用的瓶頸問題上取得了突破，設(shè)計開發(fā)了一種具有二維結(jié)構(gòu)的石墨烯保護(hù)層正極材料，獲得了長循環(huán)壽命的鋰硫電池。

具體原理為，二維插層結(jié)構(gòu)的g-C3N4/石墨烯夾層，如同在電池正負(fù)極之間構(gòu)建了多層“防鯊網(wǎng)”，不僅能通過物理和化學(xué)雙重作用阻擋多硫化物在正負(fù)極之間穿梭，還能加快鋰離子的擴(kuò)散，從而大大提升電池的循環(huán)壽命。

在我國，鋰硫電池的開發(fā)相對較晚，仍處于實驗室研發(fā)階段，實際應(yīng)用非常少。鋰硫電池充放電過程中間產(chǎn)物多硫化鋰的溶解引起穿梭效應(yīng)，也一直被視為限制其實際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

曾任猛獅科技副總裁的李青海博士曾稱，多硫化物溶解穿梭是鋰硫電池最重要和最難解決的問題，相關(guān)的改進(jìn)工作還處于起步階段，不過他看好鋰硫電池作為一種高能量密度二次電池，極具發(fā)展前景。

對比當(dāng)前主流的三元NCM鋰離子電池，擁有硫正極的電池理論比能量高達(dá)2600Wh/kg，是目前廣泛應(yīng)用的鋰離子電池的十倍以上。除此之外，硫具有元素儲量豐富、成本低廉等優(yōu)點，一旦大規(guī)模應(yīng)用，將大大助推以鋰電池為動力的電動汽車價格下降。

2016年國家發(fā)改委在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》中提出，要突破能量密度達(dá)到300Wh/kg的鋰硫電池技術(shù)。

作為對比，目前已經(jīng)批量應(yīng)用的動力電池，根據(jù)2017年發(fā)布的《促進(jìn)汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》，以及《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，單體比能量到2020年要達(dá)到300Wh/kg以上，到2025年要達(dá)到500Wh/kg。鋰硫電池的理論能量密度超過500Wh/kg，因此被視為繼鋰離子電池之后下一代動力電池體系的發(fā)展方向。

為解決鋰硫電池的實際應(yīng)用問題，包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)錢逸泰院士團(tuán)隊、華南理工大學(xué)王海輝團(tuán)隊、中科院青島能源所先進(jìn)儲能材料與技術(shù)研究組、中國廈門大學(xué)化學(xué)家Nanfeng Zheng團(tuán)隊以及上海交通大學(xué)王久林研究團(tuán)隊均作出了相關(guān)的突破。

2018年10月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)錢逸泰院士團(tuán)隊和王功名教授課題組發(fā)現(xiàn)鈷基化合物中陰離子的價電子的p能帶中心相對費米能級的位置是影響Li-S電池界面電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)的主要因素。研究人員發(fā)現(xiàn)了正極極化現(xiàn)象最小，而且倍率性能也最好的鈷基化合物載硫材料，甚至在40.0 C的條件下，容量仍有417.3 mA h g-1，對應(yīng)的是當(dāng)前最高的功率密度137.3 kW kg-1。該研究成果發(fā)表在國際頂級能源材料期刊《焦耳》雜志上。

鋰硫電池是一種以硫為電池正極，金屬鋰作為電池負(fù)極的電池體系，在解決金屬Li負(fù)極易生成枝晶的安全性問題上，上海交通大學(xué)王久林研究團(tuán)隊制備了一種新的鋰硫電池電解質(zhì)溶液（用雙氟磺酰亞胺鋰溶于磷酸三乙酯和高閃點氟代醚獲得了飽和電解液），與高濃度電解液相比，新的電解液成本低，粘度低而且增強(qiáng)了對金屬Li電極的保護(hù)，能夠有效清除Li電極的枝晶，從而清除可能存在的安全隱患，同時在60度以上高溫下提高了安全性和電化學(xué)性能。

除了科研領(lǐng)域，電池公司在積極需求技術(shù)突破中也將鋰硫電池作為技術(shù)儲備之一，上市公司中，中核鈦白、西藏城投、金路集團(tuán)、國軒高科、猛獅科技等均對鋰硫電池項目有所部署。

盡管鋰硫電池在實現(xiàn)理想能量密度的過程中還存在一些問題，不過對于一些對于電池輕薄性有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，例如對無人機(jī)、潛水艇、士兵背負(fù)的電源包等用途來說，由于重量比價格或者壽命更加重要，鋰硫電池已經(jīng)開始得到實際應(yīng)用。位于英國的初創(chuàng)公司Oxis能源公司最新研發(fā)的鋰硫電池，和目前用于電動汽車的鋰離子電池相比，每公斤可儲存近兩倍的能量。不過，它們持續(xù)的時間不是很長，在約100次充放電循環(huán)后便會失靈。Oxis的小型試驗工廠以年產(chǎn)1萬~2萬節(jié)電池為目標(biāo)。據(jù)稱這些電池會被封裝在手機(jī)大小的薄袋子中。

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