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鋰硫電池的未來：為什麼它可能取代鋰離子電池？
鋰硫電池（Li–S電池）作為一種可重充電池，以其高比能量而聞名。相較於傳統的鋰離子電池，鋰硫電池的能量密度更高，成本也較低。這使得鋰硫電池在未來可能成為更具吸引力的選擇，取代目前的鋰離子電池。究其原因，主要可歸結為兩個因素：首先，鋰硫電池使用的硫材料不僅成本低，而且能量密度較高；其次，使用金屬鋰作為負極材料，能顯著提高電池的能量儲存效率。
鋰硫電池的具體能量可達到約550 Wh/kg，而鋰離子電池的能量範圍僅在150-260 Wh/kg之間。
隨着研究的深入，鋰硫電池的技術不斷提升。2017年時的測試顯示，鋰硫電池在充放電循環上可達到1500次。然而，至2021年為止，商業化產品仍未上市。造成這一現象的原因包括多種技術挑戰，如多硫酸鋰的“穿梭效應”會導致活性材料逐漸流失。此外，硫的導電性較低，這也阻礙了其在商業上的應用。
自2000年代初，科學家們開始針對這些問題提出解決方案。隨著針對硫化碳陰極的高穩定性研究的進展，2020年，大洋洲的研究小組展示了一種基於硫化碳陰極的鋰硫電池，在1000次循環後保留了超過70%的容量。而到了2023年，德州初創公司Zeta Energy宣布，其鋰硫電池的多實驗室獨立驗證顯示，這種電池在無多硫穿梭效應的情況下運行優良，令人充滿期望。
研究人員強調，針對硫化碳陰極的競爭優勢可以促進鋰硫電池的商業化進程。
鋰硫電池的歷史可以追溯到1960年代，其後經過多次技術改進，包括引入新型電解液和陰極材料。具體來說，研究發現需要達到特定的硫載量、碳含量和電解液與硫的比例，這些參數對實現商業化至關重要。
此外，2022年提出的使用糖基陰極添加劑來防止多硫化鋰鏈的釋放，及引入氫纖維網絡以減少樹枝晶形成等創新技術，都有助於解決鋰硫電池面臨的挑戰。最近，德雷克斯大學的研究小組開發出的鋰硫電池在4000次充電循環後仍保持功能，這為其未來的商業化鋪平了道路。
2024年，加州大學聖地亞哥分校的研究小組發現一種新型的硫-碘晶體材料，可以將鋰硫電池陰極的導電性提高至1000億倍。
記住，鋰硫電池在化學反應過程中，鋰在充放電時要不斷溶解和沉積，這可形成不穩定的固體電解質界面（SEI），導致電池性能受損。因此，穩定的電解液和適當的陰極材料是確保鋰硫電池實現最佳性能的關鍵。這也是許多研究者利用碳材料改進陰極設計的原因之一。
鋰硫電池的穿梭效應是由多硫化鋰的溶解引起的，這一過程在充電和放電期間會導致活性材料的不斷流失。這不僅影響鋰的回收和利用，也使得電池的使用壽命受到限制。根據最新的研究，改進的電解液和陰極設計不但能減少穿梭效應，還能在提高能量密度的同時延長循環壽命。
至於安全性，由於鋰硫電池具有較高的能量密度，市場上的一些公司已經著手在電池中加入微控制器和其他安全電路來管理其操作，以避免突然放電的風險。
儘管鋰硫電池相較於鋰離子電池目前仍處於發展階段，其潛力不言而喻。隨著材料科學及電解液技術的進步，未來的鋰硫電池可能會在各種應用領域中發揮重要作用，特別是在對能量密度有著高需求的移動設備和電動汽車上。
在未來幾年內，當鋰硫電池逐步進入商業化階段時，我們不禁要問：鋰硫電池是否真的能夠成為鋰離子電池的替代者，並在能源儲存領域中引發革命性變化?
