下一代电池用硫正极

硫电池为何与日常生活息息相关

随着世界向电动汽车、屋顶太阳能和风电场转型，我们需要的不仅是强劲的电池，还要价格可承受、安全并且由地球能负担得起的材料制成。本综述探讨了一种有前景的候选者：在正极中以地球上最常见的元素之一——硫为主要成分的电池。作者考察了基于硫的电池如何有助于降低成本并缓解对稀缺金属的压力、为何它们仍远未大规模部署，以及要在汽车、飞机和电网中实现它们需要哪些条件。

一种新型电池材料

传统锂离子电池依赖镍、钴等金属，这些金属价格高、分布集中且易受价格波动影响。相比之下，硫资源丰富、价格低廉，且常被视为工业废料。当硫与锂或其他金属配合用于所谓的硫正极时，按重量计算其理论能量存储可远超当今标准电池材料——大约可高出五倍。这使得硫电池在重量关键的场合特别有吸引力，从电动汽车和无人机到飞机与航天器。硫的低成本和丰富供应也使其在为电网备份太阳能与风能的大型固定系统中具有吸引力。

硫电池内部的隐性问题

尽管前景诱人，硫电池的行为与熟悉的锂离子电池大相径庭。当硫电池放电时，硫会逐步转化为一系列可溶于电池内部液体并从电极溶出游离的中间化合物。这种硫物种的“穿梭”造成多重问题：电池失去活性材料、在副反应中浪费能量，并可能腐蚀对侧的金属电极。硫及其最终产物导电性较差，因此电池需要由导电碳和精心设计的孔隙网络来同时传导电子和离子。结果是在纸面上看起来很有潜力的器件，在现实条件下往往充放电缓慢、更多能量以热量浪费，并且比汽车或电网电池的使用者能接受的更早失去容量。

在自然限制下的工程学解决

为了解决这些问题，研究人员几乎对电池的每个部分都进行了重新设计。在硫电极内部，多孔碳骨架、催化颗粒和三维集流体有助于电子与离子更自由地移动并加速缓慢的化学步骤。位于隔膜附近的特殊涂层和捕获层试图将硫物种限制在有用区域，而不是让它们漫向金属负极。定制的液体混合物、固态或凝胶电解质以及智能添加剂正在被开发以引导反应、抑制穿梭并控制不希望的副反应。与此同时，工程师们还在应对硫转化为金属硫化物时的大幅体积变化（会导致电极开裂）以及金属负极上针状结构生长可能引发短路和起火的风险。

从实验室纽扣电池到实际产品

迄今为止，大多数令人印象深刻的硫电池成果来自在温和、极为有利条件下测试的小型实验室电池：薄硫层、充足的电解液和厚锂金属箔。在这些情况下，研究者可以报告高能量和长寿命，但当相同化学体系装入更厚、更现实的电极并且液体受限时，性能数字会大幅下降。综述认为，该领域必须转向更贴近商业需求的测试：更高的硫负载、尽量少的额外锂、匮乏电解液以及在引用能量时对所有电池组件进行全面核算。它还审视了新的制造方法——例如节能降本的无溶剂电极加工——如何在解决润湿性、孔隙率和机械强度问题的前提下，使硫电池能够在现有锂离子产线上生产。

硫电池可能首先出现的领域

鉴于这些权衡，作者建议硫电池最先在重量优先于寿命的利基市场中获得应用，比如高空飞机、无人机以及某些国防或航天系统。全球已有若干公司和研究项目在追求这些机会，并报告了能量密度大约为当今锂离子电池1.5到2倍的原型电池。对于需要非常长寿命的电网储能，硫系统仍落后，但如果通过更好的材料、自愈粘结剂、更稳定的电解质和改进的热管理延长循环寿命，则有望变得具有竞争力。

这对能源转型意味着什么

在日常层面，硫电池承诺带来更轻的电池，减少对稀缺且政治敏感金属的依赖，转而使用这种经常被浪费的丰富元素。然而，使硫具备巨大存储容量的同一化学特性也使这些电池性情不稳定：静置时能量损失更快、更易发热、老化速度也比目前在道路与电网中的锂离子电池更快。综述得出的结论是，硫电池不太可能全面取代现有技术，但随着材料、电池设计和制造方面的持续进步，它们可能成为有价值的补充——为超轻型飞机、长航时无人机和某些未来电动车提供动力，同时为储存可再生能源提供一种更清洁且可能更便宜的选择。

引用: Manzini, A., Martynova, I., Yu, J. et al. Sulfur cathodes for next-generation batteries. Commun Mater 7, 108 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01133-w

关键词: 硫电池, 锂硫, 能量存储, 电动汽车, 电网级储能