傳統(tǒng)的鋰離子電池技術不斷進步，但是電池的比能量仍然不能滿足應用的要求，電池技術依舊是便攜式電子設備和電動汽車發(fā)展的最大瓶頸。為實現(xiàn)高比能量電池技術的創(chuàng)新性突破，科研人員將突破方向選擇為能量密度更高的鋰硫電池和鋰空氣等金屬空氣電池，并取得了一定進展。一些新型電池技術已經看到了實際應用的曙光。

 

　　鋰硫電池是以硫元素作為正極、金屬鋰作為負極的一種電池，其理論比能量密度可達2600Wh/kg，實際能量密度可達450Wh/kg。同時單質硫價格低廉、產量豐富、環(huán)境友好，是目前最接近產業(yè)化的高比能量電池技術。

 

　　國際上，鋰硫電池的代表性研發(fā)廠商有美國的SionPower、Polyplus、Moltech，英國Oxis及韓國三星等，其中以SionPower公司的結果最具代表性。2010年，SionPower公司將鋰硫電池應用在無人機上，白天靠太陽能電池充電，晚上放電提供動力，創(chuàng)造了無人機連續(xù)飛行14天的紀錄，是鋰硫電池較為成功的應用實例。在國內，鋰硫電池的研究主要集中在中科院大連化物所、中國防化研究院、北京理工大學等科研單位，近幾年取得迅速發(fā)展。目前，國內所開發(fā)的鋰硫電池在能量密度上已經處于世界領先地位(>450Wh/kg)，但是正常充放電幾十次之后，能量密度就大幅度衰減，其循環(huán)壽命亟待提高。

 

　　鋰硫電池是世界各國競相研發(fā)的尖端技術，其產業(yè)化前景被普遍看好。如何大幅提高該電池的充放電循環(huán)壽命、使用安全性，將成為鋰硫電池產業(yè)化發(fā)展的關鍵。

 

　　金屬空氣電池技術

 

　　當前，金屬空氣電池特別是鋰-空氣電池已經引起了人們的高度關注，并取得許多重大進展。

 

　　鋰-空氣電池以金屬鋰為負極，空氣中的氧為正極活性物質，通過鋰與氧之間的電化學反應，實現(xiàn)電能與化學能的相互轉化。該電池理論能量密度可達約3500Wh/kg，為鋰離子電池的10倍，與汽油接近。著眼于鋰-空氣電池的潛在應用前景，世界各國紛紛開展相關研究工作。IBM公司一直致力于“電池500”項目，期望實現(xiàn)電動汽車一次充電續(xù)航500英里的目標；而日本的旭化成等企業(yè)的加入將推動隔膜與電解液的研究。

 

　　鋰-空氣電池并非全新概念，其最早由洛克希德公司研究人員于1976年提出。1996年，Abraham等人提出有機電解液體系，開創(chuàng)了鋰-空氣電池研究新局面。目前，鋰-空氣電池的研究主要集中于正極，其直接決定了電池的各項性能指標。能量密度方面，最具代表性的便是石墨烯類材料。美國西北太平洋國家實驗室的研究人員，制備了一種具有氣泡式結構的分層石墨烯材料，實現(xiàn)了約15000mAh/g的放電比容量，遠超現(xiàn)有鋰離子電池。

 

　　然而，鋰-空氣電池充放電過程中生成的含氧中間態(tài)產物會與碳材料、電解液等發(fā)生化學反應，導致大量副產物的生成(如碳酸鋰等)，極大地影響了電池的循環(huán)過程，是制約其發(fā)展的瓶頸問題。Bruce等人將多孔金和碳化鈦用于正極，可有效抑制副反應，100次循環(huán)容量保持率大于95%。

 

　　高能量密度是鋰-空氣電池的主要優(yōu)勢，而循環(huán)穩(wěn)定性是其技術發(fā)展的關鍵和面臨的難題。另一方面，金屬鋰的純化和鋰負極保護與充放電過程中的枝晶抑制，高活性正極催化組分以及選擇性透氧膜的開發(fā)，電池結構設計集成技術等均是其實用化過程需要有效解決的問題。