中國儲能網(wǎng)訊：近期，韓國電池制造商LG新能源公開表示計劃在3年內(nèi)開發(fā)出鋰硫電池并量產(chǎn)，這似乎是國內(nèi)外知名電池制造商中最先宣布開發(fā)鋰硫電池并應用于商業(yè)化的一個。
電池產(chǎn)業(yè)目前具有兩個比較明確的技術發(fā)展路徑。一方面電動化的發(fā)展和多行業(yè)滲透一定程度上加劇了鋰、鎳、鈷、錳等貴金屬資源的稀缺性，再加上回收市場的體量和系統(tǒng)并不完善，相造成了市場上相關原材料供不應求的局面。
因此電池廠商試圖研發(fā)出新型電池以降低應用成本，如鈉離子電池就是一個較好的例子。
另外一方面，應用主體（如新能源汽車）對電池性能要求的不斷提升也在倒逼電池制造商研發(fā)出具有更大能量密度、更高安全性或更易補能的電池體系。因此，如液流電池、固態(tài)電池、燃料電池以及最近較為火熱的鋰硫電池，這些還在不斷優(yōu)化的新型電池都試圖在以某一特定領域?qū)鹘y(tǒng)鋰離子電池進行替代。
“優(yōu)”“劣”均顯著，鋰硫電池像是偏科生
鋰硫電池嚴格來說屬于一種鋰金屬電池，相較于傳統(tǒng)的鋰離子電池，鋰硫電池在正極材料中使用硫碳復合物，負極則為鋰金屬，利用氧化還原反應完成離子移動和正負極材料還原，并實現(xiàn)充放電。
由于負極材料使用了鋰金屬，鋰硫電池的能量密度被大大提高，這也是鋰硫電池的最大優(yōu)勢。
相較于磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池300Wh/kg的能量密度，鋰硫電池的能量密度可輕松達到600Wh/kg左右。今年年初，美國能源部下屬阿貢國家實驗室成功開發(fā)并測試了全新鋰硫電池，其能量密度可以做到2600Wh/kg，這足以讓一輛普通的電動汽車理論續(xù)航超過4000km。
同時，由于沒有鎳、鈷、錳等金屬，鋰硫電池的重量很輕，成本也更低。鋰硫電池正極材料所需的單質(zhì)硫可以從硫磺中進一步加工獲得，而2022年我國硫磺產(chǎn)量接近900萬噸，市場價即使有波動也基本位于1000元/噸—2000元/噸區(qū)間。豐富的地質(zhì)資源讓鋰硫電池的材料成本能夠得到很好的控制和量產(chǎn)保證。
因此，無論是成本角度還是性能角度，鋰硫電池都有很大的優(yōu)勢。但目前，鋰硫電池還屬于研發(fā)階段，目前的市場規(guī)模并不大，有研究機構統(tǒng)計及預測，2021年全球鋰硫電池市場銷售額達到了0.4億美元，預計2028年將達到2.9億美元，年復合增長率為35.0%。
一個有意思的現(xiàn)象是，鋰硫電池的問世時間并不算短，最早的研究時間為上世紀60年代，相關科學家彼時甚至已經(jīng)申請了硫正極的專利，但受制于材料、技術、應用等因素始終沒有實現(xiàn)商業(yè)化。
鋰硫電池的正負極材料是最需要克服的技術阻礙。正極方面，硫的導電性本身比較差，容易使得正極的能量密度降低；同時硫的穿梭效應（可能導致電池在靜置情況下嚴重的自放電）和體積效應也在一定程度上降低了電池性能。在充放電過程中，硫的體積膨脹、收縮幅度都比較大，這不僅會影響導電效率，還會增加正極結構變化風險，降低循環(huán)的穩(wěn)定性。
關于正極材料，目前我國已經(jīng)有一部分企業(yè)、高校和科研院所開始進行突破，例如研發(fā)納米多孔碳/硫復合正極，以解決鋰硫電池的導電性差和體積效應等問題。中科院相關研究院也曾表示以碳質(zhì)材料為基礎進行鋰硫電池正極的結構化設計，能夠有效提升硫的電化學活性，為鋰硫電池的整體設計提供依據(jù)。
鋰硫電池的負極由于使用了鋰金屬，在充放電過程中會產(chǎn)生枝晶，長期生長容易導致隔膜破裂，進一步影響電池壽命。鋰枝晶有自然存在的屬性，在全球范圍內(nèi)都屬于難題，目前研究方向也僅僅是抑制或延緩鋰枝晶的生長。福州大學張久俊院士就曾公開表示，目前業(yè)界尚未完全消除鋰枝晶現(xiàn)象，但可以通過在電芯的正極上使用活躍性相對低的材料、降低電壓等方式提升電池安全性。
正負極材料的技術難題最直觀的反應就是鋰硫電池的循環(huán)壽命極低，目前僅能做到200次左右，基本無法實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化。但可以看到的是，業(yè)界正在為提升鋰硫電池的循環(huán)壽命而努力。
應用場景的設想
雖然鋰硫電池還沒有商業(yè)化，但圍繞其進行的商業(yè)探索一直在進行。
從電池特性來看，由于體積效應的存在，鋰硫電池的體積能量密度并不太高，也就是說鋰硫電池即使量產(chǎn)后，若想實現(xiàn)較高的能量密度效果，其電池尺寸就會比較大，這可能會在一定程度上限制鋰硫電池的應用場景。某業(yè)內(nèi)人士表示“鋰硫電池的體積或許會比較大，即使量產(chǎn)后用在乘用車上的情況可能會比較少。”
未來，鋰硫電池很可能會用在商用車、大型客車、電動工程機械等產(chǎn)品上，此類產(chǎn)品的底盤空間或車身空間比較大，對電池體積的要求不高。而且重要的是，目前重卡、大型客車、電動工程機械等產(chǎn)品的電動化過程中補能問題很突出，并沒有得到很好地解決。
在上述場景中，傳統(tǒng)的動力電池存在續(xù)航和工況適應能力的問題。工程機械和重卡會經(jīng)常在寒冷地區(qū)運行，現(xiàn)有的動力電池本就不高的續(xù)航性能會再打折扣，且售價高昂，補能設施有限，限制了這些行業(yè)的發(fā)展。而這給鋰硫電池創(chuàng)造了市場機遇。
鋰硫電池的循環(huán)壽命水平不高，但能量密度很大，因此也可以用在無人機或電動航空器等不需要經(jīng)常充電的產(chǎn)品上。事實上已經(jīng)有很多家公司開始這么做了。
美國Sion Power公司研發(fā)的鋰硫電池主要涉及應用領域就包括無人機。該公司在2010年將搭載了鋰硫電池的大型無人機升空飛行，并打破了三項無人機飛行世界記錄：飛行高度2萬米以上、連續(xù)飛行時間14天、工作溫度最低-75℃。
2014年，空客公司的“西風7”無人機也依靠鋰硫電池不間斷飛行了11天；LG化學2020年將太陽能無人飛機（EAV-3）上搭載了鋰硫電池后，該型飛機在離地面12-22公里的平流層飛行了7個小時。
這種無人機的飛行效果驗證了鋰硫電池在航空器領域的應用能力，這或許會在軍用領域率先打開市場。某電池領域創(chuàng)業(yè)者對36氪說道：“雖然現(xiàn)在鋰硫電池的循環(huán)壽命很差，但是在軍用領域，很多產(chǎn)品對使用壽命的要求是不高的，如果使用了鋰硫電池還是很有優(yōu)勢的?！?
我國鋰硫電池進展相對滯后，目前還沒有實際應用案例的報道，但已經(jīng)有很多公司正在進行研發(fā)。商業(yè)化進程較快的公司有南京驪電新能源等，相關人士表示，天目湖先進儲能技術研究院也在通過孵化公司來布局鋰硫電池業(yè)務。除此之外，多家動力電池上市公司也進行了相關技術積累。
鋰硫電池目前正處在產(chǎn)業(yè)化前期，目前國內(nèi)市場鋰硫電池、固態(tài)電池以及其他的鋰金屬電池等新的電池技術都在同步發(fā)展。但得益于能量密度，鋰硫電池仍是重要的電池革新路徑之一。
就像一位電池領域從業(yè)者對36氪說的“它一定是由商業(yè)價值的，只要研發(fā)制造成本能降到一定水平，對目前的三元電池或者動力電池來講是非常有沖擊力的，畢竟它能量密度差異太大了?！?
最后，本文對國內(nèi)外鋰硫電池公司進行一個簡略盤點，如有遺漏或信息差異，歡迎評論交流。
國內(nèi)廠商
中科派思
中科派思（中科派思儲能技術有限公司）成立于2016年，注冊資本一億五百萬元，并在成立之初達成了與大化所（中科院大連化學物理研究所）的合作，其中大化所以“高比能鋰硫電池及電池組”技術作價無形資產(chǎn)4100萬元。
根據(jù)中科院官網(wǎng)介紹，中科派思是我國第一家專門從事鋰硫電池生產(chǎn)和銷售的公司，其最新研制的能量型鋰硫二次電池的比能量達到609Wh/kg，已建成了6700余平現(xiàn)代化鋰硫電池生產(chǎn)車間和自動生產(chǎn)線，產(chǎn)能3000000Ah/年，但尚未看到明確的市場應用。
驪電新能源
驪電新能源成立于2019年，是立足于全球的商業(yè)化鋰硫電池生產(chǎn)商，驪電新能源的科學家團隊由加拿大皇家科學院院士為代表的一批加、美、日科學家。
相關報道顯示，驪電新能源所研發(fā)的鋰硫電池的循環(huán)壽命很高，目前普通鋰硫電池的循環(huán)壽命在100-200次，驪電新能源的產(chǎn)品已經(jīng)能能達到900次，已符合普通汽車的生命周期。
江蘇合志新能源
江蘇合志新能源材料技術有限公司成立于2014年，是江蘇華東鋰電技術研究院和清華大學相關技術專利孵化而成的一家高科技企業(yè)。江蘇合志起初是一家以電氣機械和器材制造業(yè)為主的公司，后來開始鉆研鋰硫電池技術，曾經(jīng)上市公司中核鈦白想要收購這家鋰硫電池公司，不過雙方并沒有協(xié)商成功。
江蘇合志新能源現(xiàn)已建成一期年產(chǎn)3000噸磷酸鐵鋰和1000噸磷酸錳鐵鋰生產(chǎn)線，二期生產(chǎn)線已在規(guī)劃中。
陜西國能新材料有限公司
陜西國能新材料有限公司是一家小微電池企業(yè)，主營業(yè)務為新材料技術研發(fā)、電池制造、電池銷售、石墨制品制造等。陜西國能新材料是由西藏城投與清華大學共同合作成立的，目前正在進行鋰硫電池方面的研究。
國軒高科
國軒高科成立于2006年，總部位于安徽合肥，該公司目前主要生產(chǎn)動力電池及其他鋰離子電池，近年來一直與加拿大皇家科學院共同研發(fā)鋰硫電池。
欣旺達
欣旺達成立于1997年，主營業(yè)務為鎳氫電池和鋰電池模組，是國內(nèi)較為知名的鋰離子產(chǎn)品供應商。目前欣旺達與南開大學合作設立了院士工作站，將共同研究鋰硫電池、固態(tài)電池等相關技術。
國外廠商
LG新能源（韓國）
LG新能源是2020年12月份從LG化學（LG Chem）分拆出來的一家新公司，專門負責電池業(yè)務。該公司在成立當日就表示，將加速全固態(tài)電池和鋰硫電池等新一代電池技術的開發(fā)，制定戰(zhàn)略實現(xiàn)可持續(xù)增長引擎。
近期，LG新能源表示已制定了在未來三年內(nèi)開發(fā)出鋰硫電池的目標，相關產(chǎn)品計劃首先在航空航天領域應用，相關人員這是因為與地面的車輛相比，飛機需要更輕、能量密度更高的電池。
OXIS Energy（英國）
英國鋰硫電池公司OXIS Energy成立于2004年，是全球較早涉足鋰硫電池領域的技術企業(yè)，且已經(jīng)有產(chǎn)品實現(xiàn)了落地應用。OXIS Energy目前在鋰硫電池領域已獲得173項專利，其中96項正在申請中。2021年4月，Oxis Energy宣布將在今年秋季向客戶和合作伙伴交付第一批鋰硫電池進行測試。而且，已經(jīng)與Oxis Energy達成合作的美國公司Bye Aerospace發(fā)布了一款基于鋰硫電池的小型電動飛機，續(xù)航達1000km。
但根據(jù)媒體報道顯示，同樣是在2021年，OXIS Energy就由于無法籌集到繼續(xù)開發(fā)產(chǎn)品所需的資金，已經(jīng)瀕臨倒閉，公司持有的專利將被拍賣，絕大部分員工已經(jīng)被裁員。
杰士湯淺（日本）
日本湯淺株式會社于1918年成立，于2004年4月與日本電池合并，更名為日本杰士湯淺株式會社（集團公司），在蓄電池行業(yè)處于亞洲領先地位。
2021年11月16日，杰士湯淺宣布與關西大學合作開發(fā)出了一款輕型高能量密度鋰硫電池，其質(zhì)量能量密度可達現(xiàn)有鋰電池的近兩倍。據(jù)介紹，杰士湯淺的研發(fā)目的是開發(fā)出一種重量輕、容量高的蓄電池，安裝在電動飛機上，目前正以2030年能量密度達到每公斤1000瓦時為目標，推進主要技術的相關研究。
Sion Power（美國）
Sion Power成立于1989年，在2009年，Sion Power公司獲得美國能源部80萬美元的資金資助，用來開發(fā)一種鋰硫電池用的新型電解質(zhì)。2010年又獲得APPA-E500萬美元資助用來開發(fā)電動車用鋰硫電池。2011年，德國BASF公司以5000萬美元收購了Sion Power公司股權。
另外根據(jù)媒體報道，Sion Power最初專注于鋰硫電池技術的開發(fā)，但后來似乎將其技術重點轉(zhuǎn)向金屬鋰離子電池領域。
參考來源：
《鋰硫電池理想的正極材料》，鐵匠
《面向?qū)嵱没匿嚵螂姵亍?，中國科學報 張晶晶
