鉅大LARGE | 點擊量：569次 | 2022年10月09日
為什么鋰硫/鋰空電池不具備動力鋰電池應用前景
提升電池比能量已經成為了提高電動汽車續航里程的核心技術方向。根據武漢大學教授艾新平觀點，以現有的整車技術條件，最合理的設計應該是單體300wh/kg對應續航300Km；單體400wh/kg對應續航400km；而如果單體做到500wh/kg，那續航將可達到500km。
事實上，行業內普遍認為，鋰電技術的近期目標是通過高鎳三元正極、硅碳負極實現300wh/kg；中期（2025年）目標是基于富鋰錳基/高容量Si—C負極，實現單體400wh/kg；遠期目標則是開發鋰硫、鋰空電池，實現單體比能量500wh/kg。
下圖列舉了各類電池電動汽車的續航能力，目前鋰離子電池為160公里，繼續優化鋰離子電池未來有望達到200公里。
綜觀現在各類電池的研究進展，普遍認為鋰空氣和鋰硫電池有比較大的潛力，但筆者卻并不看好其電池應用前景。下圖為鋰空氣電池（有水和無水電解質）及鋰硫電池的工作原理。
01為什么鋰空電池不可以？
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%
鋰空是采用金屬鋰作為負極、空氣中的氧作為正極的一種電池體系，當然，氧電極需要多孔碳作為反應載體。盡管這些年來在催化劑選擇、機理研究、電解液選擇、可充性等方面已經取得了很大的進展，但作為一個產品，鋰空電池有四大致命缺陷：
1.水分的控制
鋰空電池是一個開放體系，這是和鋰離子電池不一樣的，鋰空要用空氣中的氧，而空氣中含有水，鋰會與水反應。既要透氧又要防水，這是一個很難解決的問題。
2.氧的催化還原
鋰空不夠穩定，目前只能在純氧環境下使用
氧的反應速度非常慢，要提高氧的反應活性必須采用高效的催化劑，現在的催化劑都是貴金屬，因此，必須發展高效廉價的催化劑，而這也一直是制約燃料電池發展的短板。
3.金屬鋰負極的可充性
也就是業內一直研究的鋰枝晶問題，60年來，無數科研人員前赴后繼，依舊沒有絲毫的進展。
4.放電產物的再分解
鋰空電池的放電產物是鋰氧化物，將固態的鋰氧化物再催化分解成氧和鋰，何其艱難。
聚集如此多世紀難題于一身的鋰空電池，其可行性可以說已經非常渺茫了。
02為什么鋰硫電池也不行？
鋰空氣電池是最近才引起關注，而鋰硫電池早在1940年就有研究。鋰硫電池的負極采用金屬鋰、正極采用硫，硫的容量非常高，達到1600毫安時/克，這也是大家為什么研究它的原因。但鋰硫電池也有不少痛點。
1.電極循環性能差
首當其中的就是電極循環性能差。硫電極放電的時候不是直接生成硫化鋰，而是逐步被還原，伴隨多硫化鋰中間產物的生成；多硫化鋰會溶解在電解液中，發生溶解流失。溶解的多硫化鋰一方面會擴散到負極還原、再在正極氧化，產生穿梭效應，導致低庫倫效率和高自放電；另一方面，溶解的多硫化鋰在充電過程中還會在正極表面優先沉積，導致電極因表面孔堵塞而失活，因此，電極循環性能很差。
目前，科研界的方法，是用多孔碳材料去阻擋、去吸附多硫離子，減少它的溶解流失。這種策略在學術上看似很有效，但實際作用非常有限。兩者的主要區別在于實驗室的研究工作都是基于很小的扣式電池，電極很薄、硫負載量不高，總的硫量大約在幾個毫克級；而實際電池的硫含量較大（克級），且電極很厚、單位硫載量很高。
比如在艾新平教授參與的鋰硫電池863項目中，實驗室能夠循環上1000次的硫/碳復合材料，在實際電池中僅能循環幾次，有時候甚至一次電都放不出來，正是這個原因。
2.鋰負極的可充性
鋰負極的可充性也是個難以短時間解決的問題。電化學反應必須包含幾個串聯的過程，第一個過程是反應物從本體溶液向電極表面的傳輸，稱之為液相傳質；第二個過程為反應物在電極表面得到或失去電子，形成產物的過程，稱之為電化學反應步驟。哪個速度慢，電極反應就受哪個步驟控制。
對于鋰電極來說，其電子交換過程非常快，因此液相傳輸是其反應控制步驟，也就是將鋰離子從溶液本體傳輸到電極表面這一步相對慢。這就帶來了一些問題，液相傳遞實際上是受對流影響的，只要有重力，就會存在對流，而電極表面每一點的對流速度并不相同，因此，每一點的反應速度也就不同。哪個地方長的快，鋰離子的傳輸距離就越短，鋰的沉積速度就越來越快，這就是鋰枝晶生長的原因。
當然，正負極之間的距離不一樣，電流的分布也就不一樣，這也是導致鋰枝晶生長的重要原因。顯然，這些因素在實際電池中是很難避免的，因此，枝晶生長引起的鋰的可充性問題不能說沒有辦法，而是目前還很難找到有效的方案。
3.體積能量密度較低
鋰硫電池的體積能量密度比較低，可能僅與磷酸鐵鋰電池相當。因為硫是絕緣體，讓它導電、讓它反應、讓它分散，就必須采用大量高比表面的碳，導致硫/碳復合材料的密度非常小；此外，硫的反應是先溶解再沉積，所以電極上必須存在大量的液相傳輸通道。
而現在大部分鋰硫電池硫電極極片是不能壓的，涂的什么樣的就什么樣，孔隙率特別高，所以其體積能量密度非常低。對于車來說，特別是乘用車來說，當能量密度達到一定值后，體積能量密度就更為重要了，因為乘用車沒有那么多地方裝電池。
所以從這個意義來講，至少在車用動力領域，鋰硫電池是沒有什么希望的。
小結
從目前發展來看，要在2020年達到300wh/kg這個近期目標，除了安全性不太確定以外，是沒有任何技術風險的。至于中期目標，根據計算結果，400wh/kg要求正極容量達到250mAh/g，負極容量達到800mAh/g，這個要求以目前的材料體系也是可行的。
但是遠期目標中，鋰硫、鋰空的理論值遠超500wh/kg（鋰硫2600wh/kg、鋰氣11000wh/kg），也許鋰硫比鋰空氣電池更接近市場化。但鋰硫電池的問題幾十年沒解決，而鋰空氣研究時間尚短。整體來說化學問題還沒理解清楚，目前很難商業化。很難說哪個將來會最終商業化，也可能都不會，其可行性均有待考量。
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