[电池完全征服](17)“半价电池”锂硫，一上市就要火

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在讨论下一代二次电池时，与全固态电池一起总会被提及的“常客”之一就是锂硫（Lithium-Sulfer，Li-S）电池。去年12月21日通过国会的产业通商资源部下一代二次电池研究开发（R&D）预算中，也将锂硫电池开发支持与全固态电池一并纳入。LG能源解决方案新任首席执行官（CEO）Kim Dongmyung在去年12月1日发表的就职演讲中强调：“从长期视角来看，必须引领未来技术和商业模式创新”，“将持续推进包括锂硫、电解质全固态等在内的多种未来技术开发。”

锂硫电池是一种在正极使用硫、负极使用锂金属的二次电池。硫是石油精炼过程中产生的副产品，价格低廉且易于获取。硫还很轻，因此可以大幅减轻电池重量。基于这些原因，各类研究机构都将锂硫电池列入下一代二次电池候选名单。预计锂硫电池将拥有不同于锂离子电池的应用领域，其中具有代表性的是航空器。但锂硫电池在实现商业化之前仍有许多难关需要跨越。有观点认为，其商业化所需时间甚至会比全固态电池更长。

锂硫电池的起源可以追溯到1962年，当时Herbert和Ulam以负极为锂、正极为硫的原初电池申请了专利。此后，随着1989年采用醚类（ethers）作为电解质的二次电池被开发出来，相关技术取得进展，研究也日益活跃。

与其他二次电池一样，锂硫电池也由正极、负极、电解质和隔膜构成。在锂硫电池中，硫作为正极材料使用。锂离子电池是基于锂离子在具有层状结构的电极间反复嵌入与脱嵌的“嵌入（intercalation）”原理。与此相反，锂硫电池则是基于锂离子与正极硫接触后连续发生的化学还原反应。

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硫（S8）基本上是由8个硫原子环状连接而成的结构。放电开始时，负极的锂金属失去电子，转化为锂离子。锂离子移动到正极，通过与硫的还原反应形成Li2S8。也就是说，8个硫原子构成的环断裂成链状结构，链两端与锂离子结合。

这条链随后转变为由6个硫原子和2个锂离子组成的Li2S6。以此方式，链条逐渐缩短，依次生成Li2S4 → Li2S2 → Li2S。通过连续还原反应生成的物质被称为锂多硫化物（Lithium Poly Sulfide）。在充电时，则通过相反方向的氧化反应，依次生成Li2S → Li2S2 → Li2S4 → Li2S6 → Li2S8。

锂硫电池的平均电压约为2.1伏特（V），低于锂离子电池（3.7V），但由于密度较低，具有提高单位重量容量的优势。锂硫电池的理论容量高达1675毫安时每克（mAh/g），约为锂离子电池（以NMC811为基准为275mAh/g）的7倍。理论上，其单位重量能量密度为2600瓦时每千克（Wh/kg），接近锂离子电池的5倍。若实现商业化，实际可实现的能量密度预计为400~450Wh/kg。

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硫的另一大优点是既环保又极其廉价。硫可在石油精炼过程中作为副产品大量生产，与目前用于锂离子电池正极材料的钴、镍等金属不同，其生产过程不会引发环境问题。

在互联网上很容易找到这样的图片：橙色的硫废弃物像山一样堆积在露天堆场中，可见其物质之常见。根据中国原材料价格信息网站生意社（Sunsirs.com）的数据，截至去年12月25日，硫的现货价格仅为每吨1096元（约19万9252韩元），折算下来每公斤还不到200韩元。

弗劳恩霍夫ISI研究所预计，锂硫电池自2035年起可用于大型无人机，到了2040年则有望装载于其他电动飞机。该机构还预测，从长期来看，锂硫电池的价格将形成在每千瓦时（kWh）50欧元（约7万1000韩元）以下的水平。考虑到彭博社测算的2023年锂离子电池平均价格为每千瓦时139美元（约17万8000韩元），这还不到其一半。

锂硫电池因其价格竞争力、高能量密度及环保性而备受关注，但要实现商业化仍有许多问题亟待解决。首先被提及的是寿命特性差和容量衰减。锂硫电池在化学反应中生成的锂多硫化物会向负极迁移（穿梭效应·Shuttle effect），并溶解于有机电解液。在这一过程中，正极硫材料的用量逐渐减少，电池寿命也随之缩短。

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此外，硫属于非导电物质，电导率极低，因此必须经过额外的制造工艺来提升性能。由于负极使用锂金属，还会产生枝晶（dendrite）现象。

为提升锂硫电池的电化学性能，业界正积极开展将硫与碳、碳纳米管、石墨烯等导电碳材料制成复合体的研究。为抑制放电过程中锂多硫化物溶解的现象，也有尝试在电解液中加入多种添加剂。

近期，为抑制穿梭效应和枝晶现象，也有研究尝试在锂硫电池中应用高分子固体电解质。这也是出现“锂硫电池将以全固态电池形态实现商业化”这一预期的原因。

自2020年代以来，多家企业和学术界陆续发布了各类研究成果。但据目前掌握的情况来看，尚未达到量产与商业化水平。考虑到从向客户提供样品到真正实现商业化一般还需3~4年时间，可以说前路仍然漫长。

曾是锂硫电池领域领先企业之一的英国Oxis Energy在2021年4月表示，经过4年多的研究开发（R&D），计划在当年秋季前向客户和合作伙伴提供固态锂硫电池样品。该公司还提出目标，称将于2022年供应能量密度达450Wh/kg的准固态电池。

但上述计划并未实现。Oxis Energy仅仅在三个月后的2021年7月就被出售给Johnson Matthey。Johnson Matthey表示，收购Oxis Energy资产的目的在于“扩大绿色氢能业务”，但并未提及如何利用与锂硫电池相关的技术。Oxis Energy曾表示，已就准固态及全固态锂硫电池提交了9项专利申请，但最终未能发挥应有价值。

近期，美国初创公司Lyten在锂硫电池领域崭露头角。该公司掌握利用三维石墨烯（3D Graphene）实现锂硫电池稳定化的技术。2023年9月，包括全球汽车企业Stellantis在内的FedEx、Honeywell等向其总计投资2亿美元（约2577亿韩元）。算上这笔投资，该公司迄今共筹集了4.1亿美元（5282亿韩元）资金。

美国风险企业Liten开发的多种形态锂硫电池。

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Lyten曾在2023年6月宣布，在圣何塞建成首条锂硫电池试验生产线。该公司提出目标称，将在2023年底前生产商用电芯，并于2024年初向客户供货，实现营收。试验生产线将为Stellantis及其他汽车制造商生产样品电池。该公司还表示，将于2024年在美国动工建设大规模三维石墨烯及锂硫电池制造设施，并计划在卢森堡兴建超级工厂（Gigafactory）。

去年10月，美国风险企业Zeta Energy公开了容量为20安时（Ah）、能量密度达300Wh/kg的锂硫电池样品。该公司表示，将在计划于2024年投产的试验生产线上生产能量密度超过450Wh/kg及800Wh/L的产品。公司解释称，为防止锂多硫化物的穿梭效应，其在正极应用了锂化垂直碳纳米管，在负极则采用了获得专利的硫化碳技术。

美国风投企业 Zeta Energy 于2023年10月公开的锂硫电池试制品

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在日本，政府与民间企业正携手推动锂硫电池开发。GS Yuasa于2021年11月宣布，已成功完成能量密度达400Wh/kg的锂硫电池开发。GS Yuasa正在承担日本新能源·产业技术综合开发机构（NEDO）推进的“面向实用化的下一代航空系统研究开发”项目中“下一代电推进系统”研究课题，锂硫电池开发正是该研究课题的一部分。

日本GS Yuasa公司于2021年11月公开的锂硫电池试制品。

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GS Yuasa与关西大学研究团队经过3年研究开发，成功研制出锂硫电池。公司方面表示，已应用可支撑硫的多孔碳颗粒以及抑制硫溶解的电解液。

在韩国国内，LG能源解决方案在锂硫电池领域最为积极。据悉，Samsung SDI、SK On等其他电池企业也在内部推进相关R&D。LG能源解决方案于2020年8月与韩国航空宇宙研究院合作，成功开展了搭载锂硫电池样品的无人机试验飞行。该无人机在平流层最高高度共飞行了13个小时。

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LG能源解决方案下一代电池研究中心、KAIST Lee Jinwoo教授团队以及POSTECH Han Jeongwoo教授团队在2023年1月还成功开发出在正极引入以铁（Fe）原子为基础的功能性材料、从而提升性能的锂硫电池。LG能源解决方案的目标是在2027年实现锂硫电池商业化。相比原定的2025年推迟了两年。预计将首先应用于航空领域，随后逐步扩大应用场景。

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