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(dá)2600wh/kg，實(shí)際能量密度可達(dá)450wh/kg。同時(shí)單質(zhì)硫價(jià)格低廉、產(chǎn)量豐富、環(huán)境友好，是目前最接近產(chǎn)業(yè)化的高比能電池技術(shù)。

國(guó)際上，鋰硫電池的代表性研發(fā)廠商有美國(guó)的sionpower、polyplus、moltech，英國(guó)oxis及韓國(guó)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(wú)人機(jī)上，白天靠太陽(yáng)能電池充電，晚上放電提供動(dòng)力，創(chuàng)造了無(wú)人機(jī)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(shí)例。在國(guó)內(nèi)，鋰硫電池的研究主要集中在中科院大連化物所、中國(guó)防化研究院、北京理工大學(xué)等科研單位，在近年內(nèi)取得迅速發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)所開(kāi)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。

近年來(lái)，鋰硫電池是世界各國(guó)競(jìng)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)

筆者1988年在日本九州大學(xué)綜合理工學(xué)院獲得工學(xué)博士，準(zhǔn)備回國(guó)工作，請(qǐng)教恩師今后如何選擇研究方向時(shí)，恩師回答我：“如果要做材料，建議你研究低維材料（納米超細(xì)粉、納米線及納米膜材料），如果要做電池，建議你關(guān)注金屬空氣電池。金屬空氣電池的關(guān)鍵和難點(diǎn)是空氣電極材料和結(jié)構(gòu)，如果能解決空氣電極的問(wèn)題，電池技術(shù)就會(huì)產(chǎn)生革命化的進(jìn)步?！?0多年過(guò)去了，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(jìn)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(guò)鋰與氧之間的電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)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(dá)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(guó)紛紛開(kāi)展相關(guān)研究工作。ibm公司一直致力于“電池500”項(xiàng)目，期望實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)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(jī)電解液體系，開(kāi)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(xiàng)性能指標(biāo)。能量密度方面，最具代表性的便是石墨烯類(lèi)材料。美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shí)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(guò)程中生成的含氧中間態(tài)產(chǎn)物會(huì)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(guò)程，是制約其發(fā)展的瓶頸問(wèn)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(shì)，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(hù)與充放電過(guò)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(kāi)發(fā)，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集成技術(shù)等均是其實(shí)用化過(guò)程需要有效解決的問(wèn)題。

（作者系中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員）