锂硫电池技术研究近况

锂硫电池技术研究近况

一、背景

锂-硫电池是一种新型二次电池体系，电池结构以金属锂为负极、单质硫为正极而构成，其具有原材料含量丰富，制备成本低廉，环境友好等特点。锂-硫电池中硫正极的理论比容量可以达到1675 mAh/g，金属锂负极的理论容量更是高达 3860 mAh/g，这致使锂-硫电池体系具有高达2600 Wh/kg的理论比能量值，为现有锂电池的5倍左右，是最具发展潜力的高能化学电源体系之一。如此之高的比能量也符合市场对移动通讯设备待机时间和电动汽车续航里程的要求[1]。

对锂硫电池的研究从20世纪八、九十年代就有已经开始，并在近期重新受到重视[2]。锂硫电池作为二次电池体系的性能仍有局限，存在的待解决的问题包括锂-硫电池在循环过程中会出现电极活性物质的流失导致循环稳定性较差；硫电极导电性较差，需要添加适当的活性物质促进其电化学反应；硫电极处的化学反应循环是单体硫和硫化锂之间的转变，这两种分子的固有体积差别会在循环过程中使得正极在充放电过程中发生较大的体积变化，并导致电极材料本身发生结构破坏；硫与锂反应生成的不溶性锂硫化物会随着充放电次数的增多而堆积，影响电极的反应活性；充放电反应中生成的聚硫离子则会发生“穿梭效应”，引起锂负极端有效活性物质的损失，降低电池的库伦效率；电池循环过程中形成枝晶，破坏电池结构等。这些缺陷限制了锂硫电池的商业化应用，尤其是电池寿命和容量保持率方面，作为高端应用不具有竞争优势[3]。

近年来世界范围内的研究人员对锂硫电池的改性方法进行了多方面的探索，各国也对相应的研究和产业化发展有着不同力度的扶持[4]。目前已有报道的锂硫电池实际比能量已经达到500Wh/kg[9]，已有报道的实验室电池循环次数则达到了1500次[10]。

常见的锂硫电池改良思路包括对正极材料结构和制备方法的改良、对锂负极的保护、对电解液组分的改良，以及对电池结构的整体设计改良（如采用全固态电解质）等几个方向。本报告在对锂硫电池研究及产业近期动态持续追踪的基础上，以美国锡安动力（Sion Power）公司、日本东北大学、日本关西大学、德国德国弗朗霍夫材料与光束技术研究所、中国科学院大连化学物理研究所等几家典型机构为代表，对锂硫电池技术研究和发展近况进行了介绍。

二、相关政策

∙美国：美国能源部先进能源研究计划（ARPA-E）中，在锂电池部分包括了锂硫电池，每年投入500万美元资助锂硫电池研究。锂硫电池同时被列入美国新能源汽车动力电池技术方向之一，并且是美国宇航局未来空间平台构造的先进技术研发方向之一。

∙日本：日本将锂硫电池列为新能源动力电池技术研究方向之一，其新能源产业技术综合开发机构（NEDO）自2009年起在锂硫电池研发项目上保持着每年300亿日元的经费预算，并设定在2020年使锂硫电池的比能量达到500Wh/kg的目标。

∙欧洲：欧盟的智能电网建设计划对包括锂硫电池在内的高性能二次锂电池在储能领域的应用进程起到了大力推动作用。其中德国作为最有代表性的国家，在其汽车电动化和储能市场的动力电池研发路线图中，将锂硫电池作为最为看好的方向。

∙中国：在“十二五”863计划先进能源技术领域主题项目“高性能化学储能电池及示范电站关键技术研究”下设立了“新型锂硫化学储能电池”课题，由中科院大连化物所承担，目前已经圆满完成了课题目标，实现了比能量超过500 Wh/kg（25℃测试35Ah锂硫电池比能量达到566Wh/kg），并完成了项目产业化签约。