未來電池之鋰硫電池

紀秀磊

目前市場上最先進的電池是鋰離子電池，未來的電池會是什么樣的呢？它們會有什么特點和功能呢？目前在這個領域有什么發展動態呢？

未來的電池，我們希望它更小、更輕。充電時間更短。充電之后放電時間更長，使用壽命更長，最好是十幾年，甚至幾十年。

電池有多重的問題

我們先來做幾道簡單的算術題。我們知道，50 kg的汽油可以驅動一輛輕型小汽車行駛約500 km。那么50 kg汽油充分燃燒，可以釋放多少熱能呢？已知汽油的質量能量密度是12.7 kW·h，50 kg汽油完全燃燒所釋放的能量就是635 kW·h。內燃機的效率通常在15%左右，那么50 kg汽油在內燃機中燃燒之后，最后通過活塞做功輸出的驅動汽車的能量約為95 kW·h。也就是說，一輛輕型小汽車需要95 kW·h能量才能行駛500 km。如果用鋰離子電池來取代汽油和油箱。汽車要行駛500 km的話，需要的電池會有多重呢？目前用在純電動汽車上的鋰離子電池的質量能量密度約為0.1 kW·h。用95除以0.1得950 kg，結論就出來了：如果想用鋰離子電池驅動車輛。需要約1 t重的電池才能行駛500 km。目前在北美汽車市場上已經出現了幾款純電動汽車，其中一款的電池重300 kg，這款車單次充電后可以跑160 km。這就是目前已經商業化的電池科技的最高水平了。

因此，以目前的電池技術，電動汽車是無法取代內燃機汽車的，原因就是目前的電池還是不夠小，不夠輕。

電池的能量從哪里來

電池的能量是電池中的化學物質通過間接進行得失電子（也叫氧化還原）反應釋放出來的，即經過電化學反應釋放出來的。每個電化學反應釋放出的能量多少是不同的。在輸出能量一定的情況下，電池中需要的兩種反應物的質量加起來越小。則電池越輕；兩種反應物的體積加起來越小，則電池越小。舉個極端的例子，釋放同樣的能量，核燃料只需要幾克，而煤炭則需要幾噸才可以。這就是能量密度的概念。我們需要使用能量密度更高的反應，而且讓這些反應在電池中可控地進行來獲取電能，這是電池放電：而反應進行完之后，再通過充電的方式，把已經反應掉的化學物質變回到反應前的樣子（進行可逆反應），以便進行下一次放電，這就是電池充電的化學本質。

未來電池之鋰硫電池

那么，鋰離子電池在將來可能被哪些電池所取代呢？有幾種候選電池。鋰硫電池作為其中一種，在最近的兩三年，吸引了學術界和工業界的廣泛關注。這種電池使用鋰金屬和礦物硫作為電池的電極材料。在質量能量密度上，鋰硫電池理論上能夠達到目前鋰離子電池的五倍以上。前面我們提過，驅動汽車行駛500 km，需要1 t重的鋰子電池，而使用鋰硫電池，電池質量則下降到200 kg了。如果將來在手機上使用這種電池，手機將比現在薄一半，待機時間會更長。另外，由于硫是一種很廉價的化學物質。因此在電池材料的成本上也具有優勢。

現在不馬上生產這種電池，放到汽車、手機上的主要原因是這種電池在技術上還沒有完全達到我們的預期，包括電池的壽命仍然有待提高等。 責任編輯/蔡華杰