偏科生锂硫电池 太阳能无人机用它连飞11天

由于电子产品的广泛使用，以及当下新能源车的迅速普及，我们似乎可以这么说，过去没有哪一个时代，比我们现在更关心电池的能量密度了。大众较为了解的三元锂电池，其电芯的能量密度可以达到300瓦时/千克，然而，一种技术还不成熟，且还未获得广泛应用的锂硫电池，能轻松实现600瓦时/千克的能量密度，而理论能量密度更是高得惊人！国际电池材料协会发布的《锂硫电池白皮书》中指出，锂硫电池的理论能量密度为2600瓦时/千克！

如此诱人的能量密度，必然会吸引各国技术人员进行研究。今年2月29日，国家自然科学基金委员会发布了2023年度“中国科学十大进展”，一项有关锂硫电池的研究成功入选。今天，咱们就来好好了解一下这种电池。

同族元素

各种正在研究的电池中，要说能量密度最高的，其实还不是锂硫电池，而是锂空气电池，它的理论能量密度高达3500瓦时/千克以上，比锂硫电池的理论能量密度高很多。其原理是以锂为负极材料，以空气中的氧为正极材料。放电时，氧气在催化剂的作用下与锂离子反应生成过氧化锂；充电时，氧化锂分解生成氧气和锂离子。毫无疑问，这种电池目前还存在大量的技术难点，比如：放电时生成的氧化锂会沉积起来，继而阻碍电池的充放电效率。

空气中的水分和杂质会对电池造成腐蚀，缩短电池寿命。

因此，目前实验室在研究“锂空气电池”时，常常是在“纯氧”环境下进行的。也许未来会成功，但是目前，锂空气电池还不是我们能达到的成熟技。既然使用“氧气”作为锂电池的正极太超前，那么，是否存在稍微现实一点的材料呢？当然是有的。

元素周期表，图片来自Wikipedia。

在元素周期表中，锂元素和钠元素属于同族元素，它们拥有相似的化学性质。因此，在锂离子电池广泛使用的今天，钠离子电池也逐渐走向了商用，且未来可期。

元素周期表，图片来自Wikipedia。

在元素周期表中，氧和硫亦属于同族元素，两者具备相似的化学性质。既然“氧”在锂空气电池中可以作为正极，那么同族元素的硫，也同样可以作为电池中的正极——这便是锂硫电池。

锂硫电池的历史

锂硫电池的研究始于20世纪60年代。1967年，Herbert和Ulam首次提出，可以将硫作为锂电池的正极材料。需要注意的是，此时提出的“锂硫电池”还属于原电池，也就是一次性使用的电池。

20世纪80年代，Plichta等人研究了锂硫电池的充放电机制。20世纪90年代起，锂硫电池的研究取得了重大进展，能量密度不断提高。然而，锂硫电池的安全性和经济性比较差。

2014年后，锂硫电池开始小量进入尝试应用阶段。

大型太阳能无人机上的应用

图为欧洲空客公司设计制造的Zephyr系列大型太阳能无人机，图片来自Wikipedia。

2014年，大型太阳能无人机Zephyr7，也就是“西风7号”，使用锂硫电池连续飞行了11天。Sion Power当时为它提供的锂硫电池，其能量密度高达350瓦时/千克。

似乎350瓦时/千克这个能量密度看起来一般般，但需要注意的是，这可是在10年前的2014年。彼时，新能源车才刚刚起步，那时使用的锂离子电池，其能量密度现在看来低得可怜。

虽然西风7号使用的是锂硫电池，但较新的“Zephyr S”，也叫“西风8号”，其在2022年实现了64天的高空连续飞行，然而，在“西风8号”上却并未使用锂硫电池。这也从侧面说明，锂硫电池目前还处于小量尝试应用阶段。

2020年，装载了锂硫电池并由韩国航空航天研究所开发的高空太阳能无人机“EAV-3”，成功进行了平流层飞行试验。

EAV-3太阳能无人机，图片来自Wikipedia。

在2020年的这次飞行试验中，EAV-3最高飞行高度为22千米。在总长为13个小时的飞行中，无人机在12千米至22千米高度的平流层中稳定飞行了7个小时。

锂硫电池优势

综上，我们可以看出，锂硫电池已处在小范围尝试应用中。跟传统锂离子电池相比，它有以下两大核心优势：

1、锂硫电池的理论能量密度远超传统锂离子电池。

10年前，锂硫电池就已经实现350瓦时/千克，而目前的传统锂离子电池也没有超越此能量密度。

能量密度又叫“质量能量密度”，它是指单位质量所具有的能量。例如：

两组质量相同的电池，A电池组的能量密度为200瓦时/千克，B电池组的能量密度为400瓦时/千克，那这就意味着：在相同使用环境下，A电池组的续航时间将是B电池的两倍。

飞行于两万米以上空气极为稀薄的大型太阳能无人机，它们极其在乎自身的重量，因此，它们在早期尝试使用了锂硫电池，而核心目的就是让电池组尽可能轻，同时储能容量尽可能大。

黄色的硫磺燃烧时会融化成血红色液体并发出蓝色火焰。图片来自Wikipedia。

2、锂硫电池中的“硫”材料，价格极为低廉，且全球储量丰富。

若未来锂硫电池技术真的成熟了，获得大规模使用后，也不大会被硫的稀缺问题和价格问题所困扰。

一名男子从印度尼西亚某火山中携带硫磺块，图片来自Wikipedia。

锂硫电池当前的困难

单质硫和硫化锂的体积差异悬殊，在电池的还原反应中，从单质硫变成“一硫化二锂”时会带来80%左右的体积膨胀。

体积膨胀

换句话说，锂硫电池的体积会比较大。如果是前面提到的大型太阳能无人机倒还好，因为其本身体积巨大，所以对电池体积的膨胀有不小的承受空间。而换作我们身边常用的手机或汽车就有点让人头疼了，因为这两者都对电池体积的大小有限制，尤其是手机。

穿梭效应

体积膨胀并非最大的困难，锂硫电池目前最大的技术难点是“多硫化锂穿梭效应”。锂硫电池在充放电过程中，中间产物多硫化锂会溶解在电解液中，并迁移到电池负极，继而与锂金属发生反应，生成新的硫化锂。这一过程称为“多硫化锂穿梭效应”，会导致电池容量快速衰减，循环寿命缩短。

锂硫电池工作原理及“穿梭”效应，图片来自Wikipedia。

最新进展

为了解决当前的技术难点，研究人员需要对锂硫电池内部发生的化学反应了解得清楚一些，再清楚一些，继而才能针对性地解决问题。然而，由于传统的原位显微研究技术的时空分辨率低，以及锂硫体系不稳定等因素，人们很难做到这一点。

2023年度“中国科学十大进展”中，来自厦门大学的廖洪钢、孙世刚和北京化工大学陈建峰等人，他们开发出了高分辨电化学原位透射电镜技术，对锂硫电池界面反应实现了原子尺度动态实时观测和研究。

更重要的是，近百年来，“电化学界面反应”通常被认为仅存在“内球反应”和“外球反应”单分子途径。而这次，我国研究人员的研究揭示出还存在第三种途径，这就是“电荷存储聚集反应”。

无疑，这个新发现将为锂硫电池未来的设计提供指导。