硫鋰離子電池的全稱是“以有機(jī)高分子硫化物為正極的鋰離子電池”。正如以無機(jī)物為正極材料的鋰離子電池脫胎于鋰電池一樣，硫鋰離子電池是從鋰硫電池發(fā)展而來的，目的都是為了克服原有電池安全性不高、壽命不長的缺點。與無機(jī)正極材料磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等不同的是，這類有機(jī)硫化物不含鋰，所以負(fù)極中要預(yù)置計算量準(zhǔn)確的金屬鋰，既滿足電池首次放電的需要，又要實現(xiàn)放電后沒有剩余的金屬鋰。

截至目前，硫鋰離子電池的發(fā)展還未得到足夠的重視。我們希望它能夠作為鋰離子電池未來發(fā)展的方向之一，在發(fā)展中發(fā)揮優(yōu)勢，拓展最能發(fā)揮作用的廣闊應(yīng)用場景。

鋰離子電池比能量提高的兩個研發(fā)方向

提高比能量是電池的永恒課題。當(dāng)然，提高電池比能量必須以“安全第一”為前提，同時考慮成本和壽命。

減少非含能物質(zhì)的重量是提高電池比能量的常用方法，而最重要的途徑是發(fā)明比能量高的電池新體系。其中，提高電池電壓和電極材料比容量，是提高電池比能量的根本途徑。

目前鋰離子電池負(fù)極物質(zhì)的比容量已很高，電位也已很低，而頗具潛力的是尋找電位高或比容量高的正極材料。于是，鋰離子電池的研究形成了兩個方向，一是以提升正極電位為主，二是以提高正極比容量為核心。

第一個方向以三元鋰離子電池為代表。其正極材料為鎳-鈷-錳混合氧化物的鋰鹽；提高鎳的含量，可以逐步加大充電深度而將更高份額的鋰轉(zhuǎn)移到負(fù)極，從而提升正極電位，使比容量也相應(yīng)得到提高。但是，正極電位越高，氧化性越強，在一定條件下會氧化電池中的有機(jī)物質(zhì)，釋放出大量化學(xué)熱，使電池內(nèi)同時具備燃燒三要素——“燃料-助燃劑-溫度”，易導(dǎo)致熱失控而造成燃燒，甚至爆炸。為了解決安全問題，有人提出用全固態(tài)電解質(zhì)替代有機(jī)電解液來傳導(dǎo)鋰離子，即全固態(tài)鋰離子電池的設(shè)想。這也是個值得研究但難度很大的課題。

第二個方向的代表為硫鋰離子電池。正極材料選用高比容量的有機(jī)硫化物，其儲能單元主要為有機(jī)硫化物中的硫硫鍵，也可能包含有機(jī)結(jié)構(gòu)中的雙鍵；負(fù)極和電解液可使用現(xiàn)有鋰離子電池的所有相關(guān)材料，負(fù)極再加金屬鋰。此類正極材料的特點是比容量高——大于500毫安時/克，彌補了電位低的不足。電池的比能量高于磷酸鐵鋰電池而與三元鋰離子電池相當(dāng)，但不會因電池中其他有機(jī)物的氧化而產(chǎn)生化學(xué)熱，所以電池安全性高。同時，電池中不需鎳、鈷等我國稀缺的元素，所用的碳、氮、硫元素資源無限；既可做成儲能電池，也可做成動力電池，用途廣泛；還可不做大的變動用鈉或鉀替代鋰，做成鈉離子電池或鉀離子電池，它們的比能量雖然比鋰離子電池低一些，但資源更豐富。

上述鋰離子電池研發(fā)的兩個方向各有優(yōu)勢和難點，做好了都有發(fā)展前景，應(yīng)該并行不悖，在發(fā)展中競賽，相互促進(jìn)，最后由市場當(dāng)裁判員。

以硫化聚丙烯腈為正極的硫鋰離子電池

我們首先于2014年發(fā)表文章，以比能量520毫安時/克的硫化碳炔為正極材料，驗證了硫鋰離子電池新思路的可行性，繼而又于2017年報道了以比能量近700毫安時/克的硫化聚丙烯腈為正極材料的硫鋰離子電池新體系。硫鋰離子電池目前最被看好的正極材料就是硫化聚丙烯腈。

硫化聚丙烯腈是2002年上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究員王久林等首先提出的“導(dǎo)電高分子與硫的復(fù)合物”，目的是替代“優(yōu)缺點兩頭冒尖”的單質(zhì)硫用作鋰硫電池的正極材料。

20多年來，國內(nèi)外研究硫化聚丙烯腈者眾，發(fā)表論文不少，但至今未見用它做成量產(chǎn)的電池。原因可能有四個：一是三元鋰離子電池等用于電動車而迅猛發(fā)展，先聲奪人；二是電池界多熟悉無機(jī)化學(xué)而較少熟識有機(jī)材料；三是從一開始，硫化聚丙烯腈就與金屬鋰配成鋰硫電池，比能量雖高，但給人留下枝晶導(dǎo)致安全隱患及循環(huán)壽命短的印象；四是進(jìn)口原料聚丙烯腈試劑高達(dá)100克3300元，大量采購也要1公斤1萬元。

不過，近些年來情況發(fā)生了變化。首先，我們提出硫鋰離子電池新體系后，硫化聚丙烯腈不必再與金屬鋰配成鋰硫電池，而是改做鋰離子電池，安全性高又高能。其次，電池“安全第一”的原則逐漸深入人心，開始扭轉(zhuǎn)片面追求高比能量的傾向。高安全性電池日益受到重視。再次，我們搞清了國產(chǎn)聚丙烯腈原料性能較差的原因，組織生產(chǎn)的新聚丙烯腈品質(zhì)與進(jìn)口產(chǎn)品相同，而價格不到進(jìn)口產(chǎn)品的1/300，為其大量使用開辟了道路。最后，鎳、鈷資源問題凸顯，價格受控于人，不用鎳、鈷的硫鋰離子電池更適合中國國情。

加強硫鋰離子電池的發(fā)展力度

硫鋰離子電池是新體系，需要繼續(xù)研究的科學(xué)技術(shù)課題不少，尤其是新的高比容量正極材料有著廣闊的創(chuàng)新天地，而有機(jī)化合物變化萬千，可能設(shè)計出許多新的儲能結(jié)構(gòu)。我們特別盼望有機(jī)化學(xué)家加入并開發(fā)出新的優(yōu)異的有機(jī)高分子化合物，通過調(diào)控結(jié)構(gòu)提高放電電壓、導(dǎo)電性、充放電速率，共同創(chuàng)建“儲能高分子”新分支學(xué)科。

加強硫鋰離子電池發(fā)展力度，一要廣為宣傳，讓更多業(yè)內(nèi)外人士認(rèn)識它的優(yōu)點、前景和與我國國情的高度適合性。二要政府相關(guān)部門重視硫鋰離子電池，將它放到與全固態(tài)鋰離子電池同樣的支持地位。三要提醒電池企業(yè)抓住時機(jī)及早介入此新技術(shù)，為企業(yè)的發(fā)展注入新生產(chǎn)力。四要現(xiàn)有硫化聚丙烯腈研究者積極轉(zhuǎn)化研究成果，主動與企業(yè)合作，實現(xiàn)電池的工程化開發(fā)。

我們應(yīng)該有決心和信心，共同努力，讓發(fā)源于中國、安全又高能的硫鋰離子電池和廉價又長壽的硫化聚丙烯腈的發(fā)展始終保持世界領(lǐng)先水平，為國家的現(xiàn)代化建設(shè)作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。