锂硫电池：商业化终于可见了吗？

作者：时间：2025-12-25 来源：

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这种可充电电池使用锂和铍作为电极。来源：luchschenF/Shutterstock

全球对高能耗、经济性和环保可持续电池的推动，使锂硫（Li–S）系统成为下一代储能研究的核心。锂-S电池的理论能量密度几乎是当今锂离子电池的10倍，且化学成分不含钴和镍等稀缺金属，承诺提供轻便、经济且环保的电力解决方案。但经过二十年的研究和数千篇发表，一个挥之不去的问题依然存在：锂-硫电池是否终于接近商业化？

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。