為什麼鋰硫/鋰空電池不具備動力電池應用前景？

儘管理論上還可以通過堆疊電池裝載量來大幅提高續航里程，但也相應增加了成本和重量，從經濟性和安全性的角度來講，其實是得不償失的。

提升電池比能量已經成為了提高電動汽車續航里程的核心技術方向。

儘管理論上還可以通過堆疊電池裝載量來大幅提高續航里程，但也相應增加了成本和重量，從經濟性和安全性的角度來講，其實是得不償失的。

武漢大學教授艾新平表示，以現有的整車技術條件，最合理的設計應該是單體300wh/kg對應續航300Km;單體400wh/kg對應續航400km;而如果單體做到500wh/kg，那續航將可達到500km。

事實上，行業內普遍認為，鋰電技術的近期目標是通過高鎳三元正極、硅碳負極實現300wh/kg;中期(2025年)目標是基於富鋰錳基/高容量Si—C負極，實現單體400wh/kg;遠期則是開發鋰硫、鋰空電池，實現單體比能量500wh/kg。

對此，艾新平表示，在2020年達到300wh/kg，除了安全性不太確定以外，沒有任何技術風險。至於中期目標，根據計算結果，400wh/kg要求正極容量達到250mAh/g，負極容量達到800 mAh/g，這個要求以目前的材料體系也是可行的。

而遠期目標中，鋰硫、鋰空的理論值遠超500wh/kg(鋰硫2600wh/kg、鋰氣11000wh/kg)，但其可行性有待考量。

其中鋰空是採用金屬鋰作為負極、空氣中的氧作為正極的一種電池體系，當然，氧電極需要多孔碳作為反應載體。儘管這些年來在催化劑選擇、機理研究、電解液選擇、可充性等方面已經取得了很大的進展，但作為一個產品，鋰空電池有四大致命缺陷：

第一，是水分的控制問題。鋰空電池是一個開放體系，這是和鋰離子電池不一樣的，鋰空要用空氣中的氧，而空氣中含有水，鋰會與水反應。既要透氧又要防水，這是一個很難解決的問題。

第二，是氧的催化還原。氧的反應速度非常慢，要提高氧的反應活性必須採用高效的催化劑，現在的催化劑都是貴金屬，因此，必須發展高效廉價的催化劑，而這也一直是制約燃料電池發展的短板。

第三，是金屬鋰負極的可充性。也就是業內一直研究的鋰枝晶問題，60年來，無數科研人員前赴後繼，依舊沒有絲毫的進展。

第四，是放電產物的再分解。鋰空電池的放電產物是鋰氧化物，將固態的鋰氧化物再催化分解成氧和鋰，何其艱難。

聚集如此多世紀難題於一身的鋰空電池，其可行性可以說已經非常渺茫了。再看鋰硫電池，其負極採用金屬鋰、正極採用硫，硫的容量非常高，達到1600毫安時/克，這也是大家為什麼研究它的原因。

但鋰硫電池也有不少痛點，首當其中的就是電極循環性能差。硫電極放電的時候不是直接生成硫化鋰，而是逐步被還原，伴隨多硫化鋰中間產物的生成;多硫化鋰會溶解在電解液中，發生溶解流失。溶解的多硫化鋰一方面會擴散到負極還原、再在正極氧化，產生穿梭效應，導致低庫倫效率和高自放電;另一方面，溶解的多硫化鋰在充電過程中還會在正極表面優先沉積，導致電極因表面孔堵塞而失活，因此，電極循環性能很差。

目前，科研界的方法，是用多孔碳材料去阻擋、去吸附多硫離子，減少它的溶解流失。這種策略在學術上看似很有效，但實際作用非常有限。兩者的主要區別在於實驗室的研究工作都是基於很小的扣式電池，電極很薄、硫負載量不高，總的硫量大約在幾個毫克級;而實際電池的硫含量較大(克級)，且電極很厚、單位硫載量很高。

比如在艾新平教授參與的鋰硫電池863項目中，實驗室能夠循環上1000次的硫/碳複合材料，在實際電池中僅能循環幾次，有時候甚至一次電都放不出來，正是這個原因。

鋰硫電池的第二個問題是鋰負極的可充性，這也是難以短時間解決的問題。電化學反應必須包含幾個串聯的過程，第一個過程是反應物從本體溶液向電極表面的傳輸，稱之為液相傳質;第二個過程為反應物在電極表面得到或失去電子，形成產物的過程，稱之為電化學反應步驟。哪個速度慢，電極反應就受哪個步驟控制。

對於鋰電極來說，其電子交換過程非常快，因此液相傳輸是其反應控制步驟，也就是將鋰離子從溶液本體傳輸到電極表面這一步相對慢。這就帶來了一些問題，液相傳遞實際上是受對流影響的，只要有重力，就會存在對流，而電極表面每一點的對流速度並不相同，因此，每一點的反應速度也就不同。哪個地方長的快，鋰離子的傳輸距離就越短，鋰的沉積速度就越來越快，這就是鋰枝晶生長的原因。

當然，正負極之間的距離不一樣，電流的分佈也就不一樣，這也是導致鋰枝晶生長的重要原因。顯然，這些因素在實際電池中是很難避免的，因此，枝晶生長引起的鋰的可充性問題不能說沒有辦法，而是目前還很難找到有效的方案。

第三個問題就是鋰硫電池的體積能量密度比較低，可能僅與磷酸鐵鋰電池相當。因為硫是絕緣體，讓它導電、讓它反應、讓它分散，就必須採用大量高比表面的碳，導致硫/碳複合材料的密度非常小;此外，硫的反應是先溶解再沉積，所以電極上必須存在大量的液相傳輸通道。

而現在大部分鋰硫電池硫電極極片是不能壓的，塗的什麼樣的就什麼樣，孔隙率特別高，所以其體積能量密度非常低。對於車來說，特別是乘用車來說，當能量密度達到一定值后，體積能量密度就更為重要了，因為乘用車沒有那麼多地方裝電池。所以從這個意義來講，至少在車用動力領域，鋰硫電池是沒有什麼希望的。

來源:高工鋰電技術與應用 作者:艾新平