作為一種高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)，從各種電子產(chǎn)品到電動(dòng)汽車，再到電網(wǎng)規(guī)模化能量存儲(chǔ)的擴(kuò)展應(yīng)用，鋰電池正在越來(lái)越多地參與到能源生態(tài)演變這一重要進(jìn)程中。過(guò)去幾十年鋰離子電池(LIBs)一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，然而它的高成本和越來(lái)越接近理論極限的現(xiàn)狀以及在我國(guó)的十三五規(guī)劃中，提到的在2020年時(shí)將電池的容量提升到500Wh/kg，這些市場(chǎng)形勢(shì)和政策走向，使得學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在尋求超越鋰離子嵌入的新型化學(xué)儲(chǔ)能電池，以滿足不斷增長(zhǎng)的能源需求。按照目前的進(jìn)度來(lái)看，基于全新能量轉(zhuǎn)化機(jī)制的鋰硫(Li-S)電池摘得頭籌的可能性比較大。

01

鋰硫電池商業(yè)化的可能性

鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池。利用硫作為正極材料，是因?yàn)槠洳牧侠碚摫热萘亢碗姵乩碚摫饶芰糠謩e高達(dá)1675mAh/g和2600Wh/kg，遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰電池(<150mAh/g)。更重要的一點(diǎn)是，封閉的Li-S系統(tǒng)與LIB類似，在電池制造方面，從LIB到Li-S電池的轉(zhuǎn)換更簡(jiǎn)單有效，從而使其比開放鋰-空氣系統(tǒng)更具商業(yè)可行性。鋰硫電池的最新進(jìn)展正在開始使其商業(yè)化成為可能。

另外，從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，硫(S)不僅對(duì)環(huán)境及人類影響極小，而且是地球上豐度最高的元素之一，它目前的均價(jià)僅為$0.25/kg，而這還不足LiCoO2(均價(jià)為$40/kg)價(jià)格的百分之一。同時(shí)，由于硫的易升華及反應(yīng)產(chǎn)物易溶解特性，在傳統(tǒng)正極材料中回收硫比回收金屬更加符合成本效益。這些優(yōu)點(diǎn)使Li-S電池相對(duì)于LIBs而言擁有巨大的成本優(yōu)勢(shì)。就大規(guī)模的儲(chǔ)能裝置方面來(lái)看，成本的控制顯得尤為重要，每個(gè)電池單元成本節(jié)省的積累，對(duì)于建立和推廣固定式儲(chǔ)能電池帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)利益。由此看來(lái)，鋰硫電池是一種非常有前景的新型鋰電池。

02

鋰硫電池在世界舞臺(tái)的現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外各大高校、研究院所、電池類實(shí)驗(yàn)室/公司等都在開展鋰硫電池的研發(fā)。

在國(guó)外

其中國(guó)外的鋰硫電池研發(fā)以O(shè)xis和SionPower公司最為著名。SionPower公司研發(fā)的鋰硫電池主要涉及4個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，分別是無(wú)人機(jī)和地面車輛、特種便攜式電源和電動(dòng)車。該公司在2010年將鋰硫電池應(yīng)用于大型無(wú)人機(jī)，打破了三項(xiàng)無(wú)人機(jī)飛行世界記錄：飛行高度2萬(wàn)米以上、連續(xù)飛行時(shí)間14天、工作溫度最低-75℃。

2009年，SionPower公司獲得美國(guó)能源部80萬(wàn)美元的資金資助，以開發(fā)一種鋰硫電池用的新型電解質(zhì)。2010年又獲得APPA-E500萬(wàn)美元資助以開發(fā)電動(dòng)車用鋰硫電池。2011年，德國(guó)BASF公司以5000萬(wàn)美元收購(gòu)了SionPower公司股權(quán)。

2014年，空中客車公司(AIRBUS)的“西風(fēng)7”無(wú)人機(jī)依靠鋰硫電池實(shí)現(xiàn)了不間斷飛行11天的記錄。而目前鋰離子電池是無(wú)法實(shí)現(xiàn)讓無(wú)人機(jī)在高空低溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間滯空。因此，鋰硫電池未來(lái)會(huì)首先應(yīng)用于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，尤其是對(duì)未來(lái)超長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的發(fā)展會(huì)起到極大的促進(jìn)作用。

2014年，空中客車公司的“西風(fēng)7”無(wú)人機(jī)依靠鋰—硫電池不間斷地飛行了11天/圖來(lái)源：AIRBUS

目前英國(guó)Oxis公司正與牛津大學(xué)、劍橋大學(xué)和俄羅斯科學(xué)院合作開發(fā)聚合物鋰硫電池，主要應(yīng)用于特種和電動(dòng)車市場(chǎng)。現(xiàn)已與部分歐洲合作商簽訂電動(dòng)車用鋰硫電池的采購(gòu)合同。

在國(guó)內(nèi)

國(guó)內(nèi)各大科研機(jī)構(gòu)近日在鋰硫電池的研究上也取得了一些進(jìn)展。

據(jù)報(bào)道，近日中科院大連化物所在鋰硫二次電池技術(shù)研發(fā)中取得新進(jìn)展，所研制的能量型鋰硫電池的比能量經(jīng)第三方按照特種要求的安全測(cè)試，從之前的520Wh/kg、570Wh/kg到609Wh/kg，刷新了二次電池比能量在同領(lǐng)域的領(lǐng)先位置。此次新研制的能量型鋰硫電池，還展示出了優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性：在-20℃的環(huán)境中，放電比能量達(dá)到400Wh/kg;在-60℃的極寒環(huán)境中仍可工作，表現(xiàn)出了顯著優(yōu)于鋰離子電池的低溫性能。此外，新研制的功率型鋰硫二次電池的持續(xù)放電倍率大于4C，脈沖可達(dá)10C。目前由中科院大連化物所研制開發(fā)的鋰硫電池組已完成了與太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的全系統(tǒng)地面聯(lián)試，取得良好效果，通過(guò)了用戶驗(yàn)收。

03

寫在最后

最后，借用一句位于伊利諾伊州雷蒙特阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能量存儲(chǔ)研究協(xié)同中心主任GeorgeCrabtree的評(píng)論，“所有的這些進(jìn)展都將助力推動(dòng)鋰硫電池的發(fā)展，很難判定這些突破是否是鋰硫電池商業(yè)化所需的最后突破，但我的態(tài)度是樂(lè)觀的”。世界各地的電動(dòng)汽車駕駛員們也都希望他的話是正確的，希望在不久的將來(lái)這種新型高能電池會(huì)逐漸改變我們的生活。