【导读】锂硫（Li–S）电池凭借远超现有锂离子电池的理论能量密度、丰富廉价的硫原料储备以及更低的温室气体排放，成为下一代储能研究的核心焦点。其无需钴、镍等稀缺金属的特性，更使其承载着轻便、经济且环保的电力解决方案的期待。然而，历经二十年深耕与数千篇研究成果的积累，这一“理想电池”仍未跨越从实验室到产业化的鸿沟。但经过二十年的研究和数千篇发表，”锂-硫电池是否终于接近商业化？”的问题依然存在。
这种可充电电池使用锂和铍作为电极。来源：luchschenF/Shutterstock
为什么Li–S很重要
Li–S技术的核心是两种简单的活性材料：S阴极和锂金属阳极。
能量密度：锂-S电池理论上可达到2600 Wh/kg，而现代锂离子电池的200 Wh/kg至250 Wh/kg。
硫丰度：硫元素是地球上第十丰富的元素，原材料成本仅为每克0.02美元，远低于钴或镍。
可持续性：研究表明，与锂离子电池相比，温室气体排放减少了31%，且不依赖关键或地缘政治敏感金属。
Li阳极优势：锂金属具有最高的理论比容（3860 mAh/g）和最低的还原电位（-3.04 V），确保电池体积紧凑、轻便。
即使存在当前限制，实用的Li–S袋式电池已展现出约700 wh/kg的能量密度——几乎是商用锂离子电池的三倍。这使得它们在电动汽车（EV）、航空航天和便携电子产品中具有吸引力。
商业化的障碍
尽管前景巨大，Li–S电池仍面临顽固的障碍，阻碍了其从实验室迈向工业界的步伐。问题出在S阴极、锂阳极和电解质。
1. 阴极挑战
低导电率：S本质上是一个绝缘体，电子导电率仅为5×10⁻³⁰ S/cm。
多硫化物穿梭效应：在循环过程中，可溶性锂多硫化物（LiPSs）在电极间迁移，导致自放电，低库仑效率和容量衰减。
体积膨胀：S在结石时膨胀近80%，电极开裂并破坏结构完整性。
2. 李阳极挑战
树突形成：针状的Li树突在循环过程中生长，刺穿分离器并产生危险的短路。
不稳定的SEI层：固态电解质中间相在Li–S电解质中容易分解，消耗电解质并暴露出新鲜的锂。
死李：孤立李变得电化学失活，降低容量。
体积膨胀：袋状电池阳极可膨胀至775%，造成灾难性的机械不稳定性。
3. 电解质挑战
传统的醚溶剂溶解多硫化物，既易挥发又易燃。
过量的电解质可以延长循环寿命，但会大幅降低能量密度——电解质可占电池重量的43%。
分解过程中气体形成会导致膨胀和过早失效。
这些相互关联的问题导致，虽然锂-S电池在纸面上看似完美，但现实电池却面临快速劣化、周期寿命差和安全风险。
实用电池的技术要求
为了具备可行性，囊型Li–S细胞（而不仅仅是小型硬币细胞）必须满足严格的标准：
能量密度≥500 Wh/kg。
循环寿命≥1000个周期
高S负载（大于5 mg/cm²，阴极中铆含量超过70%）
低电解质与S（E/S）比值（~1.2 μL/mg 对比实验室中高于10 μL/mg）
平衡负负/正容量比（N/P ≈ 1.2）
同时实现所有这些目标是最大的挑战，因为一个领域的改进（例如更高的硫负荷）往往会让另一个领域的改善（例如多硫化物输送）变得更差。
学术进步
全球研究人员通过重新设计阴极、电解质、分离剂和催化剂，推动Li–S电池的极限。
先进阴极宿主：掺杂催化剂（如FeS₂簇、二维MoS₂、硫化钒）的多孔碳能捕获多硫化物并加速其转化，提供高达441 Wh/kg的袋状电池能量密度。
电解质工程：TMS–TTE和DME-6LiFSI-TTE等新系统抑制多硫化物溶解度和气体发生，使能量密度接近589 Wh/kg，且E/S比大幅降低。
分离剂和结合剂：Janus分离剂、纤维素纳米纤维层和糖基结合剂调节多硫化物迁移并改善锂沉积。
催化剂设计：电催化剂如FeCoPS₃或聚合物集成锂盐加速缓慢的硫氧化还原反应，提升周期寿命。
固态锂–铀：使用固体电解质（LLZO、LGPS、Li₇P₃S₁₁）消除穿梭效应和易燃性，同时实现超过500 Wh/kg的燃烧量。离子输运和阴极/SSE界面仍面临挑战，但原型展现出显著的稳定性。
工业努力与初创企业
锂电市场2024年估值为3200万美元，预计到2029年将达到2.09亿美元，主要由电动汽车和可再生储能需求推动。
知名行业参与者：
Zeta Energy（美国）：高稳定性的碳-S阳极。
Lyten（美国）：三维石墨烯阴极，提升S的利用率。
Theion（德国）：纯S晶圆，无需溶剂制造。
Li–S Energy（澳大利亚）：氮化硼纳米管在阴极中，纳米结构的锂阳极。
PolyPlus（美国）：玻璃陶瓷保护锂阳极，具水性阴极兼容性。
方舟功率：涂覆MoS₂阳极和三维阴极，达到500 Wh/kg，超过1200次循环。
Gelion：利用水基阴极工艺的半固态锂-铧包电池。
与此同时，丰田和LG Chem拥有最大的专利组合，但尚未发布产品，表明商业化仍处于市场前阶段。
展望：缩小实验室与行业的差距
为了实现Li–S的商业化，有三个研究重点突出：
电解质创新：节约溶剂和固态电解质必须在离子电导率、稳定性和安全性之间取得平衡。能够抑制多硫化物溶解性并保持快速锂运输的电解质至关重要。
稳定锂阳极：保护涂层、人工SEI层和合金缓冲层正在开发中，以防止树突生长和电解质耗尽。
理解S氧化还原动力学：多相、多电子S还原过程缓慢且复杂。原位技术和机器学习引导的材料发现正在帮助识别稳定硫反应的催化剂和宿主。
此外，从投币细胞升级到袋子电池仍是一个瓶颈。实验室结果通常报告在理想条件下超过1000次循环，但实用的袋状电池如果高硫负载和低E/S比，通常会更快失效。电极制备、堆叠、焊接和封装等工程解决方案至关重要。
结语
锂硫电池以其卓越的理论能量密度、资源可持续性与成本优势，无疑是下一代储能技术的有力竞争者，为电动汽车、航空航天等高端领域的能源升级提供了广阔想象空间。尽管其商业化进程仍受制于阴极导电性、多硫化物穿梭、锂阳极树突生长及电解质稳定性等多重相互关联的挑战，但全球学术界在先进阴极宿主、电解质工程、催化剂设计等领域的创新突破，以及工业界众多初创企业与行业巨头的积极布局，正持续推动技术走向成熟。
