未来电池之锂硫电池

纪秀磊

目前市场上最先进的电池是锂离子电池，未来的电池会是什么样的呢？它们会有什么特点和功能呢？目前在这个领域有什么发展动态呢？

未来的电池，我们希望它更小、更轻。充电时间更短。充电之后放电时间更长，使用寿命更长，最好是十几年，甚至几十年。

电池有多重的问题

我们先来做几道简单的算术题。我们知道，50 kg的汽油可以驱动一辆轻型小汽车行驶约500 km。那么50 kg汽油充分燃烧，可以释放多少热能呢？已知汽油的质量能量密度是12.7 kW·h，50 kg汽油完全燃烧所释放的能量就是635 kW·h。内燃机的效率通常在15%左右，那么50 kg汽油在内燃机中燃烧之后，最后通过活塞做功输出的驱动汽车的能量约为95 kW·h。也就是说，一辆轻型小汽车需要95 kW·h能量才能行驶500 km。如果用锂离子电池来取代汽油和油箱。汽车要行驶500 km的话，需要的电池会有多重呢？目前用在纯电动汽车上的锂离子电池的质量能量密度约为0.1 kW·h。用95除以0.1得950 kg，结论就出来了：如果想用锂离子电池驱动车辆。需要约1 t重的电池才能行驶500 km。目前在北美汽车市场上已经出现了几款纯电动汽车，其中一款的电池重300 kg，这款车单次充电后可以跑160 km。这就是目前已经商业化的电池科技的最高水平了。

因此，以目前的电池技术，电动汽车是无法取代内燃机汽车的，原因就是目前的电池还是不够小，不够轻。

电池的能量从哪里来

电池的能量是电池中的化学物质通过间接进行得失电子（也叫氧化还原）反应释放出来的，即经过电化学反应释放出来的。每个电化学反应释放出的能量多少是不同的。在输出能量一定的情况下，电池中需要的两种反应物的质量加起来越小。则电池越轻；两种反应物的体积加起来越小，则电池越小。举个极端的例子，释放同样的能量，核燃料只需要几克，而煤炭则需要几吨才可以。这就是能量密度的概念。我们需要使用能量密度更高的反应，而且让这些反应在电池中可控地进行来获取电能，这是电池放电：而反应进行完之后，再通过充电的方式，把已经反应掉的化学物质变回到反应前的样子（进行可逆反应），以便进行下一次放电，这就是电池充电的化学本质。

未来电池之锂硫电池

那么，锂离子电池在将来可能被哪些电池所取代呢？有几种候选电池。锂硫电池作为其中一种，在最近的两三年，吸引了学术界和工业界的广泛关注。这种电池使用锂金属和矿物硫作为电池的电极材料。在质量能量密度上，锂硫电池理论上能够达到目前锂离子电池的五倍以上。前面我们提过，驱动汽车行驶500 km，需要1 t重的锂子电池，而使用锂硫电池，电池质量则下降到200 kg了。如果将来在手机上使用这种电池，手机将比现在薄一半，待机时间会更长。另外，由于硫是一种很廉价的化学物质。因此在电池材料的成本上也具有优势。

现在不马上生产这种电池，放到汽车、手机上的主要原因是这种电池在技术上还没有完全达到我们的预期，包括电池的寿命仍然有待提高等。 责任编辑/蔡华杰