鉅大LARGE | 點擊量：2385次 | 2021年09月21日
鋰硫電池發展介紹
鋰硫電池在上世紀90年代已經有人在開始研發，不過之后沉寂了一段時間。現在，由于其具有不可比擬的高比能量等性能，重新受到了研發人員的重視。最近幾年國內外的相關研究工作頗為活躍，目前正值技術突破的攻堅階段。硫在自然界中廣泛存在，數據表明，硫在自然界中的豐度大概為0.048wt%，且屬于尚未充分利用的自然資源。自然界中的硫重要是以常溫下熱力學穩定的單質硫（S8）形式存在，其基礎物理性能讓研發人員有關硫應用在鋰離子電池上興奮不已。單質硫具有低毒性、價格低廉、存量大和低密度等特點，特別是Li/S有很高的理論能量密度，單質硫比容量高達1,675mAh/g，質量比能量更是高達2,600Wh/kg，是目前已知的比容量最高的正極材料。
較高的比容量和能量密度意味著鋰硫電池的單體重量和體積較小，放電能力較強，這一特性看似能夠滿足現今電動汽車發展的需求，但是鋰硫電池的研發也遇到了許多難題。重要的問題有：（1）負極的鋰金屬與溶解于電解液的硫發生反應，單質硫逐漸地在正極區域縮小并形成多硫化物，多硫化物從正極剝離并進入電解液，進而與金屬鋰發生反應，正極活性物質發生損耗和侵蝕，最終造成正極區域坍塌；（2）在鋰硫電池放電過程中，形成的多硫化物進入電解液后，高度富集的多硫化物致使電解液粘度升高，導致電解液導電性降低，電池性能顯著下降；（3）鋰硫電池體系的工作溫度高達300～400℃，這要較為昂貴的耐高溫材料和復雜的制備工藝來防止電池燒毀。這些問題要解決起來，難度不小。
另外，由于單質硫在室溫下不導電，不能單獨作為正極材料使用，所以在制備鋰硫電池時通常將其與一定量的導電材料混合以提高正極區域導電性，但是過度的混合導電材料，又會使鋰硫電池的比能量顯著降低。因此，結合這些，鋰硫電池的研發方向重要有：（1）多樣化硫系正極材料的設計與制備以及對鋰金屬負極的改性；（2）降低電池工作溫度和防止正極區域放電產物的溶解等。
1999年十月，PolyPlusCorp.對外宣布，他們聯合EvereadyBetteryCompany和SheldahlCorp.，研制出了較為成熟的新型鋰硫電池。PolyPlus的辦法是：電池的負極以銅或者聚合物為基底，采用氣相沉積法將金屬鋰鍍膜在基底上，再包裹一層可傳導Li+的磷酸鹽保護膜。PolyPlus介紹，他們試制的鋰硫電池質量比能量為420Wh/kg，體積比能量為520Wh/L，循環壽命可超過200次。
美國SionPowerCorp.在2004年0五月的微軟粘度硬件工程會議上向全球宣布，已研制出更輕便、長循環周期的高能鋰硫電池，電池的質量比能量超過350Wh/kg，循環次數已超過了300次。2010年0七月，SionPower應用于美國無人駕駛飛機動力源的鋰硫電池表現引人注目，無人機白天靠太陽能電池充電，晚上放電供應動力，創造了持續飛行14天的紀錄。其能量密度和循環性能的近期目標分別是超過500Wh/kg和500次循環。該公司宣稱到2016年，要讓其鋰硫電池達到600Wh/kg和1,000次循環。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
隨著凝膠電解質和固態電解質材料的不斷發展，研發人員發現，這些電解質材料結合特殊的電池結構設計，可以在很大程度上抑制放電產物溶解于電解質中。因此，最新的研究方向之一是使用全固態聚環氧乙烯（PEO）作為鋰硫電池的電解質，據報道，美國加利福利亞LawrenceBerkeley國家實驗室已經采用PEO與復合型熱活化聚合的PEGDME電解質組成雙元電解質結構應用到鋰硫電池中，循環壽命已經從幾十次提升為220次以上。
此后，該實驗室不斷改進相關技術，并在2009年IBMAlmaden大會上公布了基于單質硫改性和電解質性能探索的最新研究，結果令人欣喜。通過使用新型電解質溶劑PEGDME、PEO等，同時利用優化的正極材料配比（S68%，C23%，PVdF9%），使新開發的鋰硫電池獲得了1,400mAh/g的比容量，使用PEO溶劑的鋰硫電池工作溫度降為90℃，而使用PEGDME溶劑的鋰硫電池工作溫度為25℃。同時，該鋰硫電池的充放電循環次數也有了較大提升，超過500次。張杰認為，此項技術有效提升了鋰硫電池的業內地位，但是其研究還要有較長的路要走，比如還要進一步新增循環次數，并且該電池的能量密度和功率密度還要進一步的提升才能滿足電動汽車市場的要。
鋰硫電池已成為日本新能源汽車動力鋰離子電池技術研究方向之一，日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）自2009年起，每年投入300億日元（約合24億元人民幣）的研發預算，目標是在2020年能量密度達到500Wh/kg。美國在這方面走的更快一些，其能源部最近投入500萬美元資助鋰硫電池的研究，計劃2013年能量密度達到500Wh/kg。
據技術在線報道說，研究中發現，由于正極活性材料的放電溶解及金屬鋰表面的不穩定性，硫本身及其放電產物的電絕緣性（510-30S/cm）等因素的影響，導致鋰硫電池的循環穩定性較差，活性材料利用率偏低。而有關鋰硫電池使用的正極材料，目前的研究工作集中在以下方面：（1）鋰硫電池的正極材料包括多孔碳，如大介孔碳、活性碳、碳凝膠等；（2）碳納米管、納米結構導電高分子材料，如MWCNT、PPy、PANi/PPy等；（3）PAN。
目前國際上鋰硫電池研究的代表性廠商有美國的SionPower、Polyplus、Moltech，英國的Oxis及韓國三星等。我國大陸鋰硫電池的研發，目前還集中在研究機構，以天津電子18所、防化研究院、清華大學、上海交通大學、科技大學、武漢大學、北京理工大學等科研院所為代表，公司參與研發的還不多。
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