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鋰硫電池的神秘力量：它們如何實現驚人的550 Wh/kg能量密度？
鋰硫電池（Li-S電池）作為一種可充電電池，因其高比能量而備受矚目。在輕量化方面，鋰和硫的低原子量使得這種電池的重量與水相近。早在2008年，鋰硫電池便被運用於Zephyr 6無人機的歷史性飛行中，這是當時升空時間最長的無人太陽能飛行。隨著技術的不斷進步，鋰硫電池有望取代目前主流的鋰離子電池，主要因為前者提供了驚人的550 Wh/kg的能量密度，遠超鋰離子電池的150-260 Wh/kg。
鋰硫電池的驚人能量密度意味著單位重量的能量儲存能力可以遠超現有技術。
鋰硫電池的競爭優勢主要來自兩個方面。首先，使用硫替代成本較高且能量密度較低的鈷或鐵化合物，顯著降低了生產成本。其次，鋰硫電池使用金屬鋰，而非鋰離子電池中的鋰離子插層，能在能量密度上獲得更大提升，因為金屬鋰的使用減少了其他物質的需求。同時，由於活性材料的逐漸漏出，鋰硫電池的充放電循環會受到影響，並導致電池壽命的降低。
自2000年代初，科學家對鋰硫電池的穩定性展開了大量研究。至2020年，來自萊斯大學的科學家展示了一種基於硫化碳陰極的電池，在經過1000次循環後還能保持超過70%的電量。此外，德州初創公司Zeta Energy在2023年宣布，其基於硫化碳陰極的鋰硫電池已被多個國家實驗室獨立驗證，不再受多硫化物“穿梭”效應的影響。這一技術的突破為鋰硫電池的商業化鋪平了道路。
鋰硫電池的多硫化物穿梭效應是其主要的衰退原因，這一技術的突破是未來的希望。
鋰硫電池的化學反應是其功能實現的核心。在放電過程中，鋰金屬從陽極表面溶解並與電解質中的鋰離子形成多硫化物，隨後在充電時再以鋰回到陽極。這一反應雖然高效，但也伴隨著穩定性問題，特別是固體電解質界面的不穩定成長，加速了樹枝狀鋰的生成，最終導致內部短路。除了充電和放電過程中的反應外，陽極和陰極之間的體積變化也成為了電池設計上的挑戰。
為了解決這些問題，科研人員逐步探索出多種改良方案。例如，某些研究將碳納米纖維與硫融合以增強導電性，這樣的材料不僅提高了整體結構的穩定性，還降低了了多硫化物的流失。此外，研究表明添加基於糖的陽極助劑，能夠有效減少來自陰極的多硫化物鏈釋放對陽極的污染。
目前的實驗已顯示出，特定的電解質和改進的材料可以將鋰硫電池的壽命提升到1000次以上。
即便在安全性方面，由於其高能量密度和非線性的充放電響應，鋰硫電池往往需要配合微控制器和其他安全電路來進行管理，以避免過快放電引發的危險。不過，值得注意的是，於2021年和2022年進行的多項研究表明，選擇合適的電解質和界面穩定劑可以顯著增強電池的穩定性，進一步提高其商業化前景。
各方資源目前正被投入到鋰硫電池的商業化進程中，Example 公司如Sion Power和OXIS Energy都在這一領域取得了初步進展。在與航空航天業的合作中，Sion Power的鋰硫電池已在實際條件下經歷過飛行測試，顯示出其在實際應用中的潛力。然而，仍然有待克服的障礙包括多硫化物的溶解及電解質的化學穩定性等問題。
隨著新材料的發現和技術的創新，鋰硫電池的市場前景逐漸明朗，推動著可再生能源和電動汽車領域的革命性變革。在未來的幾年內，鋰硫電池或將成為電池技術的新標杆，挑戰傳統鋰離子電池的地位。隨著這項技術的發展，我們不禁要問：鋰硫電池能否真正實現廣泛應用，成為下一代電池的主流選擇？
