【菜科解读】

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：

两组质量相同的电池，A电池组的能量密度为200瓦时/千克，B电池组的能量密度为400瓦时/千克，那这就意味着：在相同使用环境下，A电池组的续航时间将是B电池的两倍。

飞行于两万米以上空气极为稀薄的大型太阳能无人机，它们极其在乎自身的重量，因此，它们在早期尝试使用了锂硫电池，而核心目的就是让电池组尽可能轻，同时储能容量尽可能大。

黄色的硫磺燃烧时会融化成血红色液体并发出蓝色火焰。

图片来自Wikipedia。

2、锂硫电池中的“硫”材料，价格极为低廉，且全球储量丰富。

若未来锂硫电池技术真的成熟了，获得大规模使用后，也不大会被硫的稀缺问题和价格问题所困扰。

一名男子从印度尼西亚某火山中携带硫磺块，图片来自Wikipedia。

锂硫电池当前的困难

单质硫和硫化锂的体积差异悬殊，在电池的还原反应中，从单质硫变成“一硫化二锂”时会带来80%左右的体积膨胀。

体积膨胀

换句话说，锂硫电池的体积会比较大。

如果是前面提到的大型太阳能无人机倒还好，因为其本身体积巨大，所以对电池体积的膨胀有不小的承受空间。

而换作我们身边常用的手机或汽车就有点让人头疼了，因为这两者都对电池体积的大小有限制，尤其是手机。

穿梭效应

体积膨胀并非最大的困难，锂硫电池目前最大的技术难点是“多硫化锂穿梭效应”。

锂硫电池在充放电过程中，中间产物多硫化锂会溶解在电解液中，并迁移到电池负极，继而与锂金属发生反应，生成新的硫化锂。

这一过程称为“多硫化锂穿梭效应”，会导致电池容量快速衰减，循环寿命缩短。

锂硫电池工作原理及“穿梭”效应，图片来自Wikipedia。

最新进展

为了解决当前的技术难点，研究人员需要对锂硫电池内部发生的化学反应了解得清楚一些，再清楚一些，继而才能针对性地解决问题。

然而，由于传统的原位显微研究技术的时空分辨率低，以及锂硫体系不稳定等因素，人们很难做到这一点。

2023年度“中国科学十大进展”中，来自厦门大学的廖洪钢、孙世刚和北京化工大学陈建峰等人，他们开发出了高分辨电化学原位透射电镜技术，对锂硫电池界面反应实现了原子尺度动态实时观测和研究。

更重要的是，近百年来，“电化学界面反应”通常被认为仅存在“内球反应”和“外球反应”单分子１３１６．ｃｃ途径。

而这次，我国研究人员的研究揭示出还存在第三种途径，这就是“电荷存储聚集反应”。

无疑，这个新发现将为锂硫电池未来的设计提供指导。

一项突破性电池技术有望让我们彻底摆脱智能手机每晚一充的时代

手机可一周一充：又有公司称取得电池技术大突破 据Engadget报道，韩国浦项科技大学的研究员们在新型电池开发领域，取得了一次巨大而显著的突破。

他们发明了一款微型固体氧化燃料电池，这款新型电池结合了多孔不锈钢薄膜电解和低热容量电解技术，它将大大改善电池性能，增强电池的电量持久力，这无疑能对目前我们智能手机里的锂电池产生革命性的影响。

浦项科技大学研发团队向外表示："这款燃料电池可以帮助无人机进行超过一个小时的飞行，并有望把智能手机带入电量每周一充的时代。

" 这款新型燃料电池很有可能在我们以后的生活中代替锂电池，并被应用到智能手机，无人驾驶飞机，各种电力交通工具和其他更广泛的领域中去。

虽然目前还无法估量这款新型电池技术正式投产使用时间，但想想手机电量每周一充的前景，就已经让人激动万分！

非洲大陆成为无人机投资者的新福地？

南非的Rocketmine与加纳的Aeroshutter成为了首批在非洲这片无拘无束的空域提供无人机服务的企业。

在非洲有关无人机管理的法规很少，可以说这片大陆欢迎所有形式的商用无人机的到来。

Rocketmine的总部位于约翰内斯堡，他们是南非首批获得商用无人机经营许可的企业之一，他们为诸如矿业与农业等产业提供"航拍数据解决方案"。

据TechCrunch报道说这家企业期待今年的营收能够达到100万美元。

然而这家企业很有雄心壮志，他们期待今年能够获得重大的投资。

Rocketmine的业务在非洲多处开展，目前在南非、尼日利亚与莫桑比克就部署了7个无人机操作员与15架无人机。

Rocketmine的CEO告诉TechCrunch说尽管南非的商用无人机法规正在趋于完善并导向安全，非洲的无人机环境总体上依旧很开放，与美国相比非洲简直有海量的空间让企业家们进行无人机试验。

在加纳，无人机新创企业Aeroshutter则提供航拍服务、商业资产监管以及广告业务。

作为加纳的第一家无人机企业，Aeroshutter目前拥有6名员工，操作着大疆无人机，并且辅助以Pix4D与Dronedeploy的制图软件。

在加纳无人机尚未收到法律的监管，加纳的民航局目前正在同Aeroshutter和其他产业团体一同商讨制定商用无人机法规。

快马快递、华宇物流快递、阳光快递、勤诚快递、中外运快递、中铁快运、中诚快递、中邦快递、中驿快递、飞马快递、飞鸿快递、飞扬快递、飞天达快递、韵达货运快递、闻达快递、驱达快递、安信达快递、飞达急便快递、小红马快递、远顺物流快递、 在卢旺达，人们正在筹划建设首个无人机空港，预计2018年该空港将建设完毕。

目前在非洲无人机快递还无法化为现实，然而缺乏基础设施有利有弊，无人机快递在非洲这片大陆所拥有的优势也很明显。

全球的企业都在想办法将无人机快递化为现实，无人机的好处显而易见，企业势必会想方设法同政府斡旋，使政府就无人机快递的应用这件事做出让步。

届时，相关的无人机法规会对无人机快递进行保护，同时新兴的产业又将造福于每家每户。