楊裕生院士：要重視發展安全又高能的硫鋰離子電池

　　硫鋰離子電池的全稱是“以有機高分子硫化物為正極的鋰離子電池”。正如無機物為正極材料的鋰離子電池脫胎于鋰電池一樣，硫鋰離子電池是從鋰硫電池發展而來的，目的都是為了克服原有電池安全性不高、壽命不長的缺點。與無機正極材料磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等鋰鹽不同的是，這類有機硫化物不含鋰，所以負極中要預置準確計算量的金屬鋰，既滿足電池首次放電的需要，放電后又沒有剩余的金屬鋰。

　　截至目前，硫鋰離子電池的發展還未得到足夠的重視。未來，我們希望它能夠和磷酸鐵鋰、三元材料等其他正極的鋰離子電池一起，作為鋰離子電池未來發展的方向，在發展中發揮各自優勢，拓展最能發揮各自作用的廣闊應用場景。

　　鋰離子電池比能量提高的兩個研發方向

　　提高比能量是電池的永恒課題。當然，提高電池比能量必須以“安全第一”為前提，同時考慮成本和壽命。

　　減少非含能物質的重量是提高電池比能量的常用措施，而最重要的主道是發明比能量高的電池新體系。其中，提高電池電壓和電極材料比容量是提高電池比能量的根本途徑。

　　目前鋰離子電池負極物質的比容量已很高，電位也已很低，而頗具潛力的是尋找電位高或比容量高的正極材料。于是，鋰離子電池的研究形成了兩個方向，一是以提升正極電位為主；二是以提高正極比容量為核心。

　　第一個方向以三元鋰離子電池為代表，其正極材料為鎳-鈷-錳混合氧化物的鋰鹽；提高鎳的含量，三者的比例由333改變為523、622、811，可以逐步加深充電深度而將更高份額的鋰轉移到負極，從而提升正極電位，比容量也相應有所提高。但是，電位越高的正極有越強的氧化性，在一定條件下會氧化電池中的有機物質，放出大量化學熱，電池內同時具備燃燒三要素“燃料-助燃劑-溫度”，于是發生熱失控而造成燃燒，甚至爆炸。為了解決安全問題，出現了全固態電解質替代有機電解液用以傳導鋰離子的設想——全固態鋰離子電池。在筆者看來，這是個值得研究但難度很大的課題。

　　第二個方向的代表為硫鋰離子電池，正極材料選用高比容量有機硫化物，其儲能單元主要為有機硫化物中的硫硫鍵，也可能包含有機結構中的雙鍵；負極和電解液可使用現有鋰離子電池的所有相關材料，負極再加金屬鋰。此類正極材料的特點是比容量高（大于500毫安時/克），補償了電位低（對鋰不到2伏）的不足；電池的比能量高于磷酸鐵鋰電池而與三元鋰離子電池相當，卻不會發生電池中其他有機物的氧化而產生化學熱，所以電池安全性高。同時，電池中不需鎳鈷等我國稀缺的元素，而所用碳、氮、硫元素資源無限；既可做成儲能電池，也可做成動力電池，用途寬廣；還可不作大的變動用鈉或鉀替代鋰，做成鈉離子電池或鉀離子電池，比能量雖然比鋰離子電池低些，但資源更豐富。

　　上述鋰離子電池研發的兩個方向，各有優勢和難點，做好了都有發展前景，應該并行不悖，在發展中競賽，相互促進，最后由市場當裁判員。

　　以硫化聚丙烯腈為正極的硫鋰離子電池

　　我們首先于2014年發表文章，以比能量520mAh/g的硫化碳炔為正極材料，驗證了硫鋰離子電池新思路的可行性，繼而又于2017年報道以比能量近700mAh/g的硫化聚丙烯腈為正極材料的硫鋰離子電池新體系。硫鋰離子電池目前最看好的正極材料就是硫化聚丙烯腈。

　　硫化聚丙烯腈是2002年上海交通大學化學化工學院研究員王久林等首先提出的“導電高分子與硫的復合物”，目的是替代“優缺點兩頭冒尖”的單質硫用作鋰硫電池的正極材料。

　　20多年來，國內外研究硫化聚丙烯腈者眾，發表論文不少，但至今未見用它做成量產的電池，分析其原因可能有四：一是三元鋰離子電池等用于電動車而迅猛發展，先聲“奪人”。二是電池界多熟悉無機化學而較少熟識有機材料。三是從最初起，硫化聚丙烯腈就與金屬鋰配成鋰硫電池，比能量雖高，但留下枝晶引起安全及循環壽命短的成見。四是進口原料聚丙烯腈試劑貴達3300元100克，大量采購也要1萬元1公斤。

　　不過，近些年來情況發生了變化。

　　首先，我們提出“硫鋰離子電池”新體系后，硫化聚丙烯腈不必再與金屬鋰配成鋰硫電池，而是改做鋰離子電池，安全性高又高能。

　　其次，電池“安全第一”的原則逐漸深入人心，開始扭轉片面追求高比能量的傾向，高安全性電池日益受到重視。

　　再次，我們搞清了國產聚丙烯腈原料性能較差的原因，組織生產的新聚丙烯腈，品質與進口產品相同，而價格低于進口品的1/300，為其大量使用開辟了大道。

　　四是鎳鈷資源問題凸顯，價格受控于人，不用鎳鈷的硫鋰離子電池更適合中國國情。

　　加強硫鋰離子電池的發展力度

　　硫鋰離子電池是個新品種，需要繼續研究的科學技術課題不少，尤其是新的高比容量正極材料有著廣闊的創新天地，有機化合物變化萬千，可能設計出許多新的儲能結構。特別盼望有機化學家介入，開發出新的優異的有機高分子化合物，通過調控結構提高放電電壓、導電性、充放電速率，共同創建“儲能高分子”新分支學科。

　　加強硫鋰離子電池發展力度，首先要廣為介紹它，讓更多業內外人士認識它的優點、前景和對我國國情的高度適合性。二要政府相關部門重視硫鋰離子電池，將它放到與全固態鋰離子電池同樣的支持地位。三要提醒電池企業抓住時機及早介入此新技術，為企業的發展掌握新生產力。四要現有硫化聚丙烯腈研究者積極轉化自己的研究成果，主動與企業合作實現電池的工程化開發。

　　我們應該有決心和信心，共同努力，讓發源于中國、安全又高能的硫離子電池和廉價又長壽的硫化聚丙烯腈，始終保持世界領先的水平，為國家的現代化建設作出應有的貢獻。

　　（作者系中國工程院院士）