“偏科生”鋰硫電池 ，太陽能無人機(jī)用它連飛11天！

由于電子產(chǎn)品的廣泛使用，以及當(dāng)下新能源車的迅速普及，我們似乎可以這么說，過去沒有哪一個(gè)時(shí)代，比我們現(xiàn)在更關(guān)心電池的能量密度了。

大眾較為了解的三元鋰電池，其電芯的能量密度可以達(dá)到300瓦時(shí)/千克，然而，一種技術(shù)還不成熟，且還未獲得廣泛應(yīng)用的鋰硫電池，能輕松實(shí)現(xiàn)600瓦時(shí)/千克的能量密度，而理論能量密度更是高得驚人！

國際電池材料協(xié)會(huì)發(fā)布的《鋰硫電池白皮書》中指出，鋰硫電池的理論能量密度為2600瓦時(shí)/千克！

如此誘人的能量密度，必然會(huì)吸引各國技術(shù)人員進(jìn)行研究。今年2月29日，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)布了2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”，一項(xiàng)有關(guān)鋰硫電池的研究成功入選。今天，咱們就來好好了解一下這種電池。

同族元素

各種正在研究的電池中，要說能量密度最高的，其實(shí)還不是鋰硫電池，而是鋰空氣電池，它的理論能量密度高達(dá)3500瓦時(shí)/千克以上，比鋰硫電池的理論能量密度高很多。

其原理是以鋰為負(fù)極材料，以空氣中的氧為正極材料。放電時(shí)，氧氣在催化劑的作用下與鋰離子反應(yīng)生成過氧化鋰；充電時(shí)，氧化鋰分解生成氧氣和鋰離子。

毫無疑問，這種電池目前還存在大量的技術(shù)難點(diǎn)，比如：

?放電時(shí)生成的氧化鋰會(huì)沉積起來，繼而阻礙電池的充放電效率。

?空氣中的水分和雜質(zhì)會(huì)對(duì)電池造成腐蝕，縮短電池壽命。

因此，目前實(shí)驗(yàn)室在研究“鋰空氣電池”時(shí)，常常是在“純氧”環(huán)境下進(jìn)行的。也許未來會(huì)成功，但是目前，鋰空氣電池還不是我們能達(dá)到的成熟技術(shù)。

既然使用“氧氣”作為鋰電池的正極太超前，那么，是否存在稍微現(xiàn)實(shí)一點(diǎn)的材料呢？當(dāng)然是有的。

元素周期表，圖片來自Wikipedia。

在元素周期表中，鋰元素和鈉元素屬于同族元素，它們擁有相似的化學(xué)性質(zhì)。因此，在鋰離子電池廣泛使用的今天，鈉離子電池也逐漸走向了商用，且未來可期。

元素周期表，圖片來自Wikipedia。

在元素周期表中，氧和硫亦屬于同族元素，兩者具備相似的化學(xué)性質(zhì)。既然“氧”在鋰空氣電池中可以作為正極，那么同族元素的硫，也同樣可以作為電池中的正極——這便是鋰硫電池。

鋰硫電池的歷史

鋰硫電池的研究始于20世紀(jì)60年代。

1967年，Herbert和Ulam首次提出，可以將硫作為鋰電池的正極材料。需要注意的是，此時(shí)提出的“鋰硫電池”還屬于原電池，也就是一次性使用的電池。

20世紀(jì)80年代，Plichta等人研究了鋰硫電池的充放電機(jī)制。

20世紀(jì)90年代起，鋰硫電池的研究取得了重大進(jìn)展，能量密度不斷提高。然而，鋰硫電池的安全性和經(jīng)濟(jì)性比較差。

2014年后，鋰硫電池開始小量進(jìn)入嘗試應(yīng)用階段。

大型太陽能無人機(jī)上的應(yīng)用

圖為歐洲空客公司設(shè)計(jì)制造的Zephyr系列大型太陽能無人機(jī)，圖片來自Wikipedia。

2014年，大型太陽能無人機(jī)Zephyr7，也就是“西風(fēng)7號(hào)”，使用鋰硫電池連續(xù)飛行了11天。Sion Power當(dāng)時(shí)為它提供的鋰硫電池，其能量密度高達(dá)350瓦時(shí)/千克。

似乎350瓦時(shí)/千克這個(gè)能量密度看起來一般般，但需要注意的是，這可是在10年前的2014年。彼時(shí)，新能源車才剛剛起步，那時(shí)使用的鋰離子電池，其能量密度現(xiàn)在看來低得可憐。

雖然西風(fēng)7號(hào)使用的是鋰硫電池，但較新的“Zephyr S”，也叫“西風(fēng)8號(hào)”，其在2022年實(shí)現(xiàn)了64天的高空連續(xù)飛行，然而，在“西風(fēng)8號(hào)”上卻并未使用鋰硫電池。這也從側(cè)面說明，鋰硫電池目前還處于小量嘗試應(yīng)用階段。

2020年，裝載了鋰硫電池并由韓國航空航天研究所開發(fā)的高空太陽能無人機(jī)“EAV-3”，成功進(jìn)行了平流層飛行試驗(yàn)。

EAV-3太陽能無人機(jī)，圖片來自Wikipedia。

在2020年的這次飛行試驗(yàn)中，EAV-3最高飛行高度為22千米。在總長為13個(gè)小時(shí)的飛行中，無人機(jī)在12千米至22千米高度的平流層中穩(wěn)定飛行了7個(gè)小時(shí)。

鋰硫電池優(yōu)勢(shì)

綜上，我們可以看出，鋰硫電池已處在小范圍嘗試應(yīng)用中。跟傳統(tǒng)鋰離子電池相比，它有以下兩大核心優(yōu)勢(shì)：

1、鋰硫電池的理論能量密度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋰離子電池。

10年前，鋰硫電池就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)350瓦時(shí)/千克，而目前的傳統(tǒng)鋰離子電池也沒有超越此能量密度。

能量密度又叫“質(zhì)量能量密度”，它是指單位質(zhì)量所具有的能量。例如：

兩組質(zhì)量相同的電池，A電池組的能量密度為200瓦時(shí)/千克，B電池組的能量密度為400瓦時(shí)/千克，那這就意味著：在相同使用環(huán)境下，B電池組的續(xù)航時(shí)間將是A電池的兩倍。

飛行于兩萬米以上空氣極為稀薄的大型太陽能無人機(jī)，它們極其在乎自身的重量，因此，它們?cè)谠缙趪L試使用了鋰硫電池，而核心目的就是讓電池組盡可能輕，同時(shí)儲(chǔ)能容量盡可能大。

黃色的硫磺燃燒時(shí)會(huì)融化成血紅色液體并發(fā)出藍(lán)色火焰。圖片來自Wikipedia。

2、鋰硫電池中的“硫”材料，價(jià)格極為低廉，且全球儲(chǔ)量豐富。

若未來鋰硫電池技術(shù)真的成熟了，獲得大規(guī)模使用后，也不大會(huì)被硫的供應(yīng)量和價(jià)格所限制。

一名男子從印度尼西亞某火山中攜帶硫磺塊，圖片來自Wikipedia。

鋰硫電池當(dāng)前的困難

單質(zhì)硫和硫化鋰的體積差異懸殊，在電池的還原反應(yīng)中，從單質(zhì)硫變成“一硫化二鋰”時(shí)會(huì)帶來80%左右的體積膨脹。

?體積膨脹

換句話說，鋰硫電池的體積會(huì)比較大。如果是前面提到的大型太陽能無人機(jī)倒還好，因?yàn)槠浔旧眢w積巨大，所以對(duì)電池體積的膨脹有不小的承受空間。

而換作我們身邊常用的手機(jī)或汽車就有點(diǎn)讓人頭疼了，因?yàn)檫@兩者都對(duì)電池體積的大小有限制，尤其是手機(jī)。

?穿梭效應(yīng)

體積膨脹并非最大的困難，鋰硫電池目前最大的技術(shù)難點(diǎn)是“多硫化鋰穿梭效應(yīng)”。

鋰硫電池在充放電過程中，中間產(chǎn)物多硫化鋰會(huì)溶解在電解液中，并遷移到電池負(fù)極，繼而與鋰金屬發(fā)生反應(yīng)，生成新的硫化鋰。這一過程稱為“多硫化鋰穿梭效應(yīng)”，會(huì)導(dǎo)致電池容量快速衰減，循環(huán)壽命縮短。

鋰硫電池工作原理及“穿梭”效應(yīng)，圖片來自Wikipedia。

最新進(jìn)展

為了解決當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)，研究人員需要對(duì)鋰硫電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)了解得清楚一些，再清楚一些，繼而才能針對(duì)性地解決問題。

然而，由于傳統(tǒng)的原位顯微研究技術(shù)的時(shí)空分辨率低，以及鋰硫體系不穩(wěn)定等因素，人們很難做到這一點(diǎn)。

2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”中，來自廈門大學(xué)的廖洪鋼、孫世剛和北京化工大學(xué)陳建峰等人，他們開發(fā)出了高分辨電化學(xué)原位透射電鏡技術(shù)，對(duì)鋰硫電池界面反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了原子尺度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測(cè)和研究。

更重要的是，近百年來，“電化學(xué)界面反應(yīng)”通常被認(rèn)為僅存在“內(nèi)球反應(yīng)”和“外球反應(yīng)”單分子途徑。

而這次，我國研究人員的研究揭示出還存在第三種途徑，這就是“電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)”。

無疑，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)將為鋰硫電池未來的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

參考資料：

[1]https://sionpower.com/2014/sion-powers-lithium-sulfur-batteries-power-high-altitude-pseudo-satellite-flight/

作者：寒木釣萌 科普作家、科技部“全國優(yōu)秀科普作品獎(jiǎng)”獲得者

審核：張海軍 中國民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院教授、天津市應(yīng)急管理學(xué)會(huì)副秘書長、波多黎各大學(xué)化學(xué)系博士后

出品：科普中國

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