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(yīng)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(shù)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(guān)原材料供不應(yīng)求的局面。
因此電池廠商試圖研發(fā)出新型電池以降低應(yīng)用成本，如鈉離子電池就是一個較好的例子。
另外一方面，應(yīng)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(lǐng)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(yán)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(fù)合物，負極則為鋰金屬，利用氧化還原反應(yīng)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?yán)碚摾m(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(gòu)統(tǒng)計及預(yù)測，2021年全球鋰硫電池市場銷售額達到了0.4億美元，預(yù)計2028年將達到2.9億美元，年復(fù)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(jì)60年代，相關(guān)科學(xué)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(shù)、應(yīng)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(shù)阻礙。正極方面，硫的導(dǎo)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(yīng)（可能導(dǎo)致電池在靜置情況下嚴(yán)重的自放電）和體積效應(yīng)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(dǎo)電效率，還會增加正極結(jié)構(gòu)變化風(fēng)險，降低循環(huán)的穩(wěn)定性。
關(guān)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(fù)合正極，以解決鋰硫電池的導(dǎo)電性差和體積效應(yīng)等問題。中科院相關(guān)研究院也曾表示以碳質(zhì)材料為基礎(chǔ)進行鋰硫電池正極的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，能夠有效提升硫的電化學(xué)活性，為鋰硫電池的整體設(shè)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(dǎo)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(xué)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(shù)難題最直觀的反應(yīng)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(yīng)用場景的設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)用領(lǐng)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(fēng)7”無人機也依靠鋰硫電池不間斷飛行了11天；LG化學(xué)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(lǐng)域的應(yīng)用能力，這或許會在軍用領(lǐng)域率先打開市場。某電池領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)者對記者說道：“雖然現(xiàn)在鋰硫電池的循環(huán)壽命很差，但是在軍用領(lǐng)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(yīng)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(guān)人士表示，天目湖先進儲能技術(shù)研究院也在通過孵化公司來布局鋰硫電池業(yè)務(wù)。除此之外，多家動力電池上市公司也進行了相關(guān)技術(shù)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(shù)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(lǐng)域從業(yè)者對記者說的“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(shù)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(xué)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(shù)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(yīng)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(xué)家團隊由加拿大皇家科學(xué)院院士為代表的一批加、美、日科學(xué)家。
相關(guān)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(shù)有限公司成立于2014年，是江蘇華東鋰電技術(shù)研究院和清華大學(xué)相關(guān)技術(shù)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(shù)，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(wù)為新材料技術(shù)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(xué)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(xué)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(wù)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(yīng)商。目前欣旺達與南開大學(xué)合作設(shè)立了院士工作站，將共同研究鋰硫電池、固態(tài)電池等相關(guān)技術(shù)。
國外廠商
LG新能源（韓國）
LG新能源是2020年12月份從LG化學(xué)（LG Chem）分拆出來的一家新公司，專門負責(zé)電池業(yè)務(wù)。該公司在成立當(dāng)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(shù)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(biāo)，相關(guān)產(chǎn)品計劃首先在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用，相關(guān)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(lǐng)域的技術(shù)企業(yè)，且已經(jīng)有產(chǎn)品實現(xiàn)了落地應(yīng)用。OXIS Energy目前在鋰硫電池領(lǐng)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(lǐng)先地位。
2021年11月16日，杰士湯淺宣布與關(guān)西大學(xué)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(biāo)，推進主要技術(shù)的相關(guān)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(quán)。
另外根據(jù)媒體報道，Sion Power最初專注于鋰硫電池技術(shù)的開發(fā)，但后來似乎將其技術(shù)重點轉(zhuǎn)向金屬鋰離子電池領(lǐng)域。
原標(biāo)題：優(yōu)勢突出也劣性明顯，鋰硫電池能否“量產(chǎn)在即”？
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