面向高效能量存储的协同硫-氯电池化学

为何从每一瓦中挤出更多很重要

随着世界越来越依赖太阳能电池板和风电场，大量绿色电力在存储过程中被悄然浪费。现有的大型电池往往回放的能量远低于输入，意味着每年有数千太瓦时的能量被有效浪费。本文描述了一种几乎不浪费能量的新型可充电电池：它最多可回收高达99.5%的输入能量。对于关注降低成本、缩小碳足迹或在极地或深海等恶劣环境供电的人来说，这种超高效率的存储方式可能具有颠覆性意义。

对常见电池成分的新演绎

我们熟悉的大多数电池，如手机和电动汽车中的电池，通过锂离子在固体材料间的嵌入/脱嵌来工作。另一类称为转换型电池，则在充放电过程中将一类分子转化为另一类。这些体系通常成本低且能量密度高，但常常伴随较大的能量损失和反应缓慢。作者通过设计一种在正极侧使用液体硫酰氯（SO2Cl2）并结合氯化学的锂电池来解决这一问题。在他们的设计中，该液体既作为溶剂又作为活性储能物质，而一种简单的多孔碳作为反应发生的支撑体。

硫与氯如何协同工作

在这种电池中，硫和氯原子并非独立作用；它们参与到一个紧密关联的反应网络中，作者将其称为协同S–Cl化学。当电池沿其首选路径放电时，液相中的硫被部分还原，碳表面形成氯化锂，同时负极的金属锂被消耗。充电过程中，氯气在原位生成并扮演关键的中介角色：它推动硫氧化物（SO2）与硫酰氯（SO2Cl2）之间高度可逆的往复转换。借助X射线吸收谱和质谱等先进工具，团队证明这种由氯辅助的循环降低了反应势垒，使化学过程快速且清洁地进行，只有极小的电压损失。

打破效率与速度纪录

由于反应进展顺畅，电池在典型条件下的充放电电压差极小——约只有9毫伏。这对应着高达99.5%的能量存储效率，远高于大多数现有的转换型电池（通常仅能达到59–95%），后者以热形式浪费更多能量。即便在苛刻工况下——大容量、快速循环以及低至–20 °C的低温环境——该体系通常仍能保持很高的效率，约为93–97%。快速的硫–氯相互作用还允许非常大的电流，实验展示的放电电流密度可达400毫安每平方厘米——比许多可比设计高出1到3个数量级——且不会形成危险的针状锂沉积。

从微型芯片到大规模存储

除了在实验室电池中展示基本性能外，研究人员还制造了若干实用原型。一款采用相同化学体系的250毫安时袋式电池在现实负载水平下实现了超过96%的能量效率，表明该概念可以扩展规模。他们还制作了一个毫米级微电池，为能够测量温度和压力并无线发送数据的芯片供电，以及一款适合可穿戴设备的柔性纤维形电池，这两者都受益于该化学体系的高功率和不可燃电解质。该系统的长货架寿命和出色的低温性能表明，它可用于应急备用电源、太空任务和深海仪器等难以更换或充电电池的场景。

对未来清洁能源的意义

简言之，这项工作表明，通过巧妙地结合硫和氯的反应，可以几乎消除可充电电池中的能量损失，同时保持高功率输出。通过利用在电池内生成的氯来引导硫化学沿更简单、更快速的路径进行，作者实现了近乎完美的往返效率和非常快速的充放电。这不仅指向更优的电网、电子设备和可穿戴设备用电池，也提供了一个设计蓝图：在分子层面上配对能够相互助益的元素，能够显著提升我们存储可再生电力的能力。

引用: Zhao, X., Liao, M., Geng, S. et al. Synergistic sulfur-chlorine battery chemistry towards efficient energy storage. Nat Commun 17, 3088 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69748-8

关键词: 高效率电池, 硫-氯化学, 能量存储, 锂转换电池, 可再生能源存储