偏科生锂硫电池 太阳能无人机用它连飞11天

由于电子产品的广泛使用，以及当下新能源车的迅速普及，我们似乎可以这么说，过去没有哪一个时代，比我们现在更关心电池的能量密度了。

大众较为了解的三元锂电池，其电芯的能量密度可以达到300瓦时/千克，然而，一种技术还不成熟，且还未获得广泛应用的锂硫电池，能轻松实现600瓦时/千克的能量密度，而理论能量密度更是高得惊人！

国际电池材料协会发布的《锂硫电池白皮书》中指出，锂硫电池的理论能量密度为2600瓦时/千克！

如此诱人的能量密度，必然会吸引各国技术人员进行研究。今年2月29日，国家自然科学基金委员会发布了2023年度“中国科学十大进展”，一项有关锂硫电池的研究成功入选。今天，咱们就来好好了解一下这种电池。

同族元素

各种正在研究的电池中，要说能量密度最高的，其实还不是锂硫电池，而是锂空气电池，它的理论能量密度高达3500瓦时/千克以上，比锂硫电池的理论能量密度高很多。

其原理是以锂为负极材料，以空气中的氧为正极材料。放电时，氧气在催化剂的作用下与锂离子反应生成过氧化锂；充电时，氧化锂分解生成氧气和锂离子。

毫无疑问，这种电池目前还存在大量的技术难点，比如：

放电时生成的氧化锂会沉积起来，继而阻碍电池的充放电效率。

空气中的水分和杂质会对电池造成腐蚀，缩短电池寿命。

因此，目前实验室在研究“锂空气电池”时，常常是1316世界之最在“纯氧”环境下进行的。也许未来会成功，但是目前，锂空气电池还不是我们能达到的成熟技术。

既然使用“氧气”作为锂电池的正极太超前，那么，是否存在稍微现实一点的材料呢？当然是有的。

元素周期表，图片来自Wikipedia。

在元素周期表中，锂元素和钠元素属于同族元素，它们拥有相似的化学性质。因此，在锂离子电池广泛使用的今天，钠离子电池也逐渐走向了商用，且未来可期。

元素周期表，图片来自Wikipedia。

在元素１３１６．ｃｃ周期表中，氧和硫亦属于同族元素，两者具备相似的化学性质。既然“氧”在锂空气电池中可以作为正极，那么同族元素的硫，也同样可以作为电池中的正极——这便是锂硫电池。

锂硫电池的历史

锂硫电池的研究始于20世纪60年代。

1967年，Herbert和Ulam首次提出，可以将硫作为锂电池的正极材料。需要注意的是，此时提出的“锂硫电池”还属于原电池，也就是一次性使用的电池。

20世纪80年代，Plichta等人研究了锂硫电池的充放电机制。

20世纪90年代起，锂硫电池的研究取得了重大进展，能量密度不断提高。然而，锂硫电池的安全性和经济性比较差。

2014年后，锂硫电池开始小量进入尝试应用阶段。

大型太阳能无人机上的应用

图为欧洲空客公司设计制造的Zephyr系列大型太阳能无人机，图片来自Wikipedia。

2014年，大型太阳能无人机Zephyr7，也就是“西风7号”，使用锂硫电池连续飞行了11天。Sion Power当时为它提供的锂硫电池，其能量密度高达350瓦时/千克。

似乎350瓦时/千克这个能量密度看起来一般般，但需要注意的是，这可是在10年前的2014年。彼时，新能源车才刚刚起步，那时使用的锂离子电池，其能量密度现在看来低得可怜。

虽然西风7号使用的是锂硫电池，但较新的“Zephyr S”，也叫“西风8号”，其在2022年实现了64天的高空连续飞行，然而，在“西风8号”上却并未使用锂硫电池。这也从侧面说明，锂硫电池目前还处于小量尝试应用阶段。

2020年，装载了锂硫电池并由韩国航空航天研究所开发的高空太阳能无人机“EAV-3”，成功进行了平流层飞行试验。

EAV-3太阳能无人机，图片来自Wikipedia。

在2020年的这次飞行试验中，EAV-3最高飞行高度为22千米。在总长为13个小时的飞行中，无人机在12千米至22千米高度的平流层中稳定飞行了7个小时。

锂硫电池优势

综上，我们可以看出，锂硫电池已处在小范围尝试应用中。跟传统锂离子电池相比，它有以下两大核心优势：

1、锂硫电池的理论能量密度远超传统锂离子电池。

10年前，锂硫电池就已经实现350瓦时/千克，而目前的传统锂离子电池也没有超越此能量密度。

能量密度又叫“质量能量密度”，它是指单位质量所具有的能量。例如：

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