■杨裕生

硫锂离子电池的全称是“以有机高分子硫化物为正极的锂离子电池”。正如以无机物为正极材料的锂离子电池脱胎于锂电池一样，硫锂离子电池是从锂硫电池发展而来的，目的都是为了克服原有电池安全性不高、寿命不长的缺点。与无机正极材料磷酸铁锂、钴酸锂等不同的是，这类有机硫化物不含锂，所以负极中要预置计算量准确的金属锂，既满足电池首次放电的需要，又要实现放电后没有剩余的金属锂。

截至目前，硫锂离子电池的发展还未得到足够的重视。我们希望它能够作为锂离子电池未来发展的方向之一，在发展中发挥优势，拓展最能发挥作用的广阔应用场景。

锂离子电池比能量提高的两个研发方向

提高比能量是电池的永恒课题。当然，提高电池比能量必须以“安全第一”为前提，同时考虑成本和寿命。

减少非含能物质的重量是提高电池比能量的常用方法，而最重要的途径是发明比能量高的电池新体系。其中，提高电池电压和电极材料比容量，是提高电池比能量的根本途径。

目前锂离子电池负极物质的比容量已很高，电位也已很低，而颇具潜力的是寻找电位高或比容量高的正极材料。于是，锂离子电池的研究形成了两个方向，一是以提升正极电位为主，二是以提高正极比容量为核心。

第一个方向以三元锂离子电池为代表。其正极材料为镍-钴-锰混合氧化物的锂盐；提高镍的含量，可以逐步加大充电深度而将更高份额的锂转移到负极，从而提升正极电位，使比容量也相应得到提高。但是，正极电位越高，氧化性越强，在一定条件下会氧化电池中的有机物质，释放出大量化学热，使电池内同时具备燃烧三要素——“燃料-助燃剂-温度”，易导致热失控而造成燃烧，甚至爆炸。为了解决安全问题，有人提出用全固态电解质替代有机电解液来传导锂离子，即全固态锂离子电池的设想。在笔者看来，这是个值得研究但难度很大的课题。

第二个方向的代表为硫锂离子电池。正极材料选用高比容量的有机硫化物，其储能单元主要为有机硫化物中的硫硫键，也可能包含有机结构中的双键；负极和电解液可使用现有锂离子电池的所有相关材料，负极再加金属锂。此类正极材料的特点是比容量高——大于500毫安时/克，弥补了电位低的不足。电池的比能量高于磷酸铁锂电池而与三元锂离子电池相当，但不会因电池中其他有机物的氧化而产生化学热，所以电池安全性高。同时，电池中不需镍、钴等我国稀缺的元素，所用的碳、氮、硫元素资源无限；既可做成储能电池，也可做成动力电池，用途广泛；还可不做大的变动用钠或钾替代锂，做成钠离子电池或钾离子电池，它们的比能量虽然比锂离子电池低一些，但资源更丰富。

上述锂离子电池研发的两个方向各有优势和难点，做好了都有发展前景，应该并行不悖，在发展中竞赛，相互促进，最后由市场当裁判员。

以硫化聚丙烯腈为正极的硫锂离子电池

我们首先于2014年发表文章，以比能量520毫安时/克的硫化碳炔为正极材料，验证了硫锂离子电池新思路的可行性，继而又于2017年报道了以比能量近700毫安时/克的硫化聚丙烯腈为正极材料的硫锂离子电池新体系。硫锂离子电池目前最被看好的正极材料就是硫化聚丙烯腈。

硫化聚丙烯腈是2002年上海交通大学化学化工学院研究员王久林等首先提出的“导电高分子与硫的复合物”，目的是替代“优缺点两头冒尖”的单质硫用作锂硫电池的正极材料。

20多年来，国内外研究硫化聚丙烯腈者众，发表论文不少，但至今未见用它做成量产的电池。原因可能有四个：一是三元锂离子电池等用于电动车而迅猛发展，先声夺人；二是电池界多熟悉无机化学而较少熟识有机材料；三是从一开始，硫化聚丙烯腈就与金属锂配成锂硫电池，比能量虽高，但给人留下枝晶导致安全隐患及循环寿命短的印象；四是进口原料聚丙烯腈试剂高达100克3300元，大量采购也要1公斤1万元。

不过，近些年来情况发生了变化。

首先，我们提出硫锂离子电池新体系后，硫化聚丙烯腈不必再与金属锂配成锂硫电池，而是改做锂离子电池，安全性高又高能。

其次，电池“安全第一”的原则逐渐深入人心，开始扭转片面追求高比能量的倾向。高安全性电池日益受到重视。

再次，我们搞清了国产聚丙烯腈原料性能较差的原因，组织生产的新聚丙烯腈品质与进口产品相同，而价格不到进口产品的1/300，为其大量使用开辟了道路。

最后，镍、钴资源问题凸显，价格受控于人，不用镍、钴的硫锂离子电池更适合中国国情。

加强硫锂离子电池的发展力度

硫锂离子电池是新体系，需要继续研究的科学技术课题不少，尤其是新的高比容量正极材料有着广阔的创新天地，而有机化合物变化万千，可能设计出许多新的储能结构。我们特别盼望有机化学家加入并开发出新的优异的有机高分子化合物，通过调控结构提高放电电压、导电性、充放电速率，共同创建“储能高分子”新分支学科。

加强硫锂离子电池发展力度，一要广为宣传，让更多业内外人士认识它的优点、前景和与我国国情的高度适合性。二要政府相关部门重视硫锂离子电池，将它放到与全固态锂离子电池同样的支持地位。三要提醒电池企业抓住时机及早介入此新技术，为企业的发展注入新生产力。四要现有硫化聚丙烯腈研究者积极转化研究成果，主动与企业合作，实现电池的工程化开发。

我们应该有决心和信心，共同努力，让发源于中国、安全又高能的硫锂离子电池和廉价又长寿的硫化聚丙烯腈的发展始终保持世界领先水平，为国家的现代化建设作出应有贡献。

（作者系中国工程院院士）