高體積高能量密度鋰硫電池離商業(yè)應用還有多遠?

來源：存能電氣  日期：2020-03-19 10:17  瀏覽量：次

高體積高能量密度鋰硫電池離商業(yè)應用還有多遠？鋰硫電池具有較高的理論能量密度，2654Wh/kg和2800Wh/L，是傳統(tǒng)鋰離子電池理論能量密度的五倍以上。近年來，鋰硫電池被視為下一代高能量密度電池體系的理想選擇之一，受到全世界科研界和產(chǎn)業(yè)界的高度關注，是未來各國布局的重點研究方向之一。

高體積高能量密度鋰硫電池離商業(yè)應用還有多遠？

目前軟包鋰離子電池的能量密度已經(jīng)可以達到300Wh/kg以上，已經(jīng)非常接近其極限能量密度350Wh/kg，因此繼續(xù)提升的空間依然不大。為了滿足下一代高比能電池的需求，人們開始將目光轉(zhuǎn)向了能量密度更高的金屬鋰體系電池，這其中Li-S電池憑借著2510Wh/kg的超高理論能量密度吸引了廣泛的關注。

目前鋰硫二次電池的質(zhì)量能量密度可以達到400~600Wh/kg（<0.1C），體積能量密度一般小于500Wh/L，循環(huán)壽命一般小于100圈。循環(huán)性差這一方面是由于硫正極巨大的體積膨脹變化等因素，正極在循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)容易崩塌。

此外，高面容量的金屬鋰循環(huán)過程中體積變化大，且直接和液態(tài)電解質(zhì)反應，電芯容易跳水，循環(huán)性差和容易跳水成為制約鋰硫二次電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸之一。此外，硫正極具有高的孔隙率，導致電芯注液量高（30%～50%）。

因此，當前制約鋰硫電池實用化的關鍵技術瓶頸是如何在高活性物質(zhì)負載條件下（10mg/cm2）,實現(xiàn)低電解液用量，高電極密度及低非活性物質(zhì)含量。

超高能量密度鋰硫一次電池有可能在消費類電子產(chǎn)品電源、備用電源和動力電源等一些特殊領域替代現(xiàn)有的Li/SOCl2、Li/MnO2等一次電池，具有潛在的應用價值。雖然在學術研究上Li-S電池已經(jīng)取得了很多進展，但是要實現(xiàn)商業(yè)應用仍然還有很大的差距。

鋰硫電池的商業(yè)化應用仍存在一些技術挑戰(zhàn)，如硫和固態(tài)放電產(chǎn)物的絕緣性、可溶性多硫化物的穿梭效應以及充放電期間硫體積大小的變化等。這些問題通常導致硫的利用率低、循環(huán)壽命差、甚至一系列安全問題。如何在大幅提高鋰硫電池能量密度的同時增加其穩(wěn)定性，已成為當前研究的熱點之一。

鋰硫電池有哪些特點?

鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的一種鋰電池。單質(zhì)硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環(huán)境友好等特點。

鋰硫電池除了能量密度非常高外，還具有一些其他的優(yōu)點，一方面，其生產(chǎn)成本比較低。由于鋰硫電池主要采用硫和鋰作為生產(chǎn)原材料，生產(chǎn)成本相對較低；另一方面，鋰硫電池在使用后低毒，并且回收利用的能耗較小。

盡管與許多類型的動力電池相比，鋰硫電池有著明顯的優(yōu)點，但是同樣其也有存在一些不足之處。目前鋰硫電池最大的劣勢在于其循環(huán)利用次數(shù)比較低。因為硫化聚合物具有穩(wěn)定性比較差的特性，所以當前鋰硫電池的循環(huán)利用次數(shù)要遠遠低于普通的磷酸鐵鋰電池，這就極大的增加了鋰硫電池的使用成本?？梢哉f，只要鋰硫電池的這一性能劣勢得不到改變，那么其就很難大規(guī)模的推廣使用。

總結(jié)：相對于鋰離子電池來說,鋰硫電池較高的理論比容量以及低成本,使其表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。在鋰硫電池的商業(yè)化應用進程中必須考慮的一點，便是在合理的電池成本的前提下，通過合理設計電池電極材料中硫的負載量，使其達到高質(zhì)量比容量和高體積比容量的完美融合。