鋰硫電池是以硫元素作為正極、金屬鋰作為負(fù)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(zhì)硫價格低廉、產(chǎn)量豐富、環(huán)境友好，是目前最接近產(chǎn)業(yè)化的高比能量電池技術(shù)。

 

　　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(jié)果最具代表性。2010年，SionPower公司將鋰硫電池應(yīng)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(jì)錄，是鋰硫電池較為成功的應(yīng)用實例。在國內(nèi)，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(xué)等科研單位，近幾年取得迅速發(fā)展。目前，國內(nèi)所開發(fā)的鋰硫電池在能量密度上已經(jīng)處于世界領(lǐng)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(shù)，其產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。

 

　　金屬空氣電池技術(shù)

 

　　當(dāng)前，金屬空氣電池特別是鋰-空氣電池已經(jīng)引起了人們的高度關(guān)注，并取得許多重大進展。

 

　　鋰-空氣電池以金屬鋰為負(fù)極，空氣中的氧為正極活性物質(zhì)，通過鋰與氧之間的電化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)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(yīng)用前景，世界各國紛紛開展相關(guān)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(biāo)；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(biāo)。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(jié)構(gòu)的分層石墨烯材料，實現(xiàn)了約15000mAh/g的放電比容量，遠(yuǎn)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(chǎn)物會與碳材料、電解液等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致大量副產(chǎn)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(yīng)，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(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和面臨的難題。另一方面，金屬鋰的純化和鋰負(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計集成技術(shù)等均是其實用化過程需要有效解決的問題。