锂硫电池是用硫做正极,锂金属做负极,中间夹着电解质,靠化学反应放电。它的理论能量密度能到2600瓦时每公斤,这比现在常见的锂离子电池高出10倍左右。
锂离子电池一般在200到300瓦时每公斤晃悠,顶多到400多点。
例如,特斯拉Model 3举例,原装电池充一次电跑500到600公里,要是换上锂硫,保持一样重量和体积,续航直接飙到4000公里以上。
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锂硫电池早在上世纪60年代就有专利了,但一直卡在实验室阶段。
因为实际用起来问题一大堆。硫材料便宜,地球上到处有,成本低到每吨几百块钱。
但它不导电,放电时容易产生多硫化合物,这些东西溶在电解液里到处跑,导致电池容量掉得飞快。
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早期版本循环个几百次就不行了,远不如锂离子电池稳定。
研究者们试了各种招,比如加碳材料包住硫,提高导电性,或者改用电解质来堵住多硫跑路。
2009年,有序介孔碳材料CMK-3出来后,电池比容量一下跳到1320毫安时每克,这算是个小突破,让锂硫电池勉强能供电了。但离商用还远着。
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2021年,澳大利亚莫纳什大学加了糖类物质到电池里,防止多硫链污染负极,循环次数拉到1000次左右,还让电池更轻更持久。韩国LG新能源同年就把锂硫电池装到无人机上测试,能量密度410瓦时每公斤。
中国北京理工大学团队2020年搞出651瓦时每公斤的版本,已经超了汽车动力电池需求。要是装车,续航轻松上千公里。
美国阿贡国家实验室今年年初测试的新型锂硫电池,能量密度直奔2600瓦时每公斤,理论让普通电动车跑4000公里以上。
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全固态锂硫电池是重头戏。传统锂硫用液体电解质,容易漏还危险,全固态换成固体材料,安全系数高多了。
加拿大西安大略大学贾斯汀·金团队在2023年优化设计,能量密度甩锂离子好几条街。
北京大学庞全全团队今年1月公布成果,用玻璃相硫化物做固体电解质,电池在5C倍率下循环25000次,容量衰减才19.8%。
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5C就是高倍率快充,日常用车场景下超实用。他们还测了高温60℃下150C充电,硫容量432毫安时每克,极端环境稳得一批。
这团队从合成原料起步,熔融淬火工艺调比例,离子导率10^{-3} S/cm,组装扣式电池反复测,界面兼容性好,阻挡多硫扩散。
加拿大团队用同步辐射X射线观察反应,确认固体界面有效。两边合作脉络清楚,推动技术从理论到应用。
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成本上,锂硫电池占便宜。硫资源丰富,不像钴镍那么贵稀缺,生产费用能降20%到40%。一辆中端电动车电池成本6万块,用锂硫省1.8万,规模化后上万辆车省上亿。
制造工艺简单,少了好多涂布环节。但固态版本虽好,早期液体电解质的多硫溶解问题转成固体界面阻力大,反应慢。
研究者们加纳米复合材料,掺杂元素调结构,提高硫利用率。循环寿命从500-1000次拉到1500次以上,远超锂离子。安全性强,不析氧副反应,从-40℃到80℃都行,针刺挤压不短路不热失控。
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产品化上,韩国LG2021年无人机电池测试过,中国南京骊电新能源同年样品能量密度350瓦时每公斤,用在储能系统。
北京理工大学651瓦时版本接近商用,装车飙千公里没问题。美国、欧盟、澳大利亚都跟进,瞄准高功率设备如货运飞机、重型卡车、潜艇、航天。
环境友好,硫可持续来源,不像锂离子依赖稀有金属。实际测试,LG无人机经多次飞行,衰减率低,长效性强。莫纳什加糖工艺控制添加量,避免影响导电。
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固态电池大类前景广,锂硫是其中翘楚。防锂枝晶,固体电解质不长枝,避免隔膜刺破,降低爆炸风险。高能量密度兼容高电压正极,轻松破400-500瓦时每公斤。
充电快,丰田2023年固态电池10分钟充1200公里,松下2024年3分钟从10%到80%。这些加持,锂硫电池市场渗透加速。
预计2027年后,丰田等量产固态版本,支持快充长续航,成本再降,促进大规模用。
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但发展挑战还在,商业化路长。实验室纽扣电池和工业软包电池差距大,多硫穿梭、锂枝晶生长、硫绝缘性这些核心问题需材料改性和系统设计解决。
锂硫电池不光电动车,还能进可再生能源存储。太阳能风能普及,高效存储是关键,锂硫高密度长寿命正好。
国际能源网报道多,锂硫作为超越锂离子的新星,潜力大。这电池要真普及,出行方式大变,能源格局重塑。
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1、全固态电池离我们还有多远?企业称2030年是最乐观预期 华夏时报 2025-11-17
2、北大2025首篇Nature:新型固态锂硫电池问世,循环寿命超25000次 IT之家2025-01-22
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