（文章來源：Leader）

近年來，隨著電動汽車續(xù)航里程的持續(xù)增加，對于動力電池的能量密度的要求也在不斷的提升，傳統(tǒng)體系的鋰離子電池能量密度極限僅為350Wh/kg左右，無法滿足下一代高比能電池的需求。Li-S電池的理論能量密度達到2000Wh/kg以上，是非常具有希望的下一代高比能儲能電池。

近日，德國德累斯頓弗勞恩霍夫材料與射線研究所的SusanneDorfler（第一作者）和StefanKaskel（通訊作者）等人對軟包結構Li-S電池所面臨的挑戰(zhàn)進行了分析，指出了實驗室取得的成果與實際應用之間的差距。

Li-S電池的研究始于1977年，近年來Li-S電池的研究又得到了較多的關注，在過去的10年里全世界的科研工作者發(fā)表了超過1000篇文章，一些工作將電池的能量密度提升到了460Wh/kg以上。但是多數(shù)的研究成果還是在實驗室中取得，與生產(chǎn)實踐之間還存在著較大的差距。

實驗室電池與商業(yè)電池之間的差距實驗室中最常用的電池形式為扣式電池，電池的容量也僅為1-6mAh，而商業(yè)中應用的鋰離子電池容量通常要達到0.45-1.2Ah，電池的形式也多采用軟包設計，以最大限度的提高電池的比能量。電芯也多采用疊片式設計，一方面降低生產(chǎn)的難度，同時也能夠更好的控制電池在充放電過程中的體積變化。

對于儲能電池，能量密度是我們最為關注的性能，我們可以根據(jù)下表中數(shù)據(jù)計算軟包Li-S電池的重量/體積能量密度，其中電池的重量包含：金屬鋰負極，負極集流體，正極（硫、碳、粘結劑、集流體）、隔膜、電解液、極耳和鋁塑膜的重量。

實驗室中扣式電池與商業(yè)軟包電池最大的不同點在于，扣式電池中的電解液與金屬鋰顯著過量，從而使得扣式Li-S電池的衰降模式與軟包電池之間存在明顯的區(qū)別。對于Li-S電池，電解液不僅僅起到傳導Li+的作用，電解液對于正極的反應過程也存在顯著的影響（反應產(chǎn)物多硫化物溶解能夠讓顆粒內部S繼續(xù)參與反應）。

同時多硫化物的濃度也會對電解液的離子遷移特性和粘度產(chǎn)生顯著的影響，進而引起電池阻抗的增加。同時金屬鋰負極在循環(huán)過程中也會消耗相當數(shù)量的電解液。因此電解液與S負載量的比值會對Li-S電池的循環(huán)壽命、倍率性能和S正極的利用率和產(chǎn)生顯著的影響。

由于電解液對于Li-S電池的性能產(chǎn)生如此重要的影響，因此通常一些我們不太重視的參數(shù)也會通過對電解液的影響，進而間接的影響Li-S電池的性能。例如當我們增加S正極的壓實密度時Li-S電池的極化會顯著的增加，這主要是因為孔隙率的降低減少了正極內電解液的數(shù)量，從而使得多硫化物的濃度增加，導致電解液的粘度升高，離子遷移能力降低。因此在Li-S電池設計時要充分考慮可能會影響電解液的因素。

此外Li的過量比例也會對Li-S電池的循環(huán)性能產(chǎn)生顯著的影響，由于SEI膜的生長和枝晶生長引起的死鋰都會導致持續(xù)的消耗Li，因此過量的Li有助于提升Li-S電池的循環(huán)性能。

雖然Li-S電池理論上能夠實現(xiàn)2660Wh/kg的高能量密度，但是在實際使用中遠遠達不到這一數(shù)值，例如在18650結構電池中，其能量密度僅為277Wh/kg。當然如果采用軟包電池設計，能夠有效的降低結構件的重量，從而提升電池的能量密度。而電解液和金屬鋰的過量比例也會影響電池的能量密度，通常為了提升電池的循環(huán)壽命，我們傾向于加入更多的電解液，過量更多的鋰，但是這會導致電池能量密度的降低。例如，如果液/硫比達到4ml/g，金屬鋰的過量4倍，則電池的能量密度就會來到100Wh/kg以下。

此外由于硫的導電性較差，因此S正極通常會添加較多的石墨導電劑，因此S在電極中的占比要遠遠低于鋰離子電池正極活性物質的占比，因此為了提升Li-S電池的能量密度，需要盡可能的提升S的占比，降低非活性物質的比例。初此之外，負極集流體也會對電池的能量密度產(chǎn)生顯著的影響，例如，如果負極采用10um厚的銅箔集流體，就會顯著的降低活性物質的占比。

雖然在實驗室級別，Li-S電池的研究取得了許多進展，但是實驗室通常基于扣式電池，并且電解液和金屬鋰近乎無限供應，因此實驗室中取得的成果并不能直接用于軟包電池的設計。為了滿足商業(yè)應用的需求，需要從多角度提升活性物質在電池中的占比，減少電解液和金屬鋰的使用量，從而有效的提升電池的能量密度。
（責任編輯：fqj）