可充电电池无处不在：从您可能正在用来阅读本文的手机、工作用的笔记本电脑，到如今正迅速占领市场的电动汽车。储能器件的广泛使用使其持续承受压力。一方面，市场不断要求电池具备更高的储能容量、更快的充电能力和更长的使用寿命。另一方面，电池已涉及多起事故，为防止此类情况发生，相关法规也日趋严格。
自 20 世纪 90 年代以来，锂离子电池 (LIB) 一直在电池市场上占据主导地位。然而，它们也面临不少挑战。在新闻中，手机、汽车以及电动滑板车/电动自行车发生与电池相关的火灾的报道并不少见。这些事件是由称为热失控的过程造成的。当电池释放的热量高到足以加速电池中特定组分的分解时，就会发生热失控。这一反应同样会释放能量，形成正反馈循环。
那么，替代方案是什么？
自 20 世纪 60 年代起，锂硫电池 (LiSB) 就被提出作为锂离子电池的替代方案。对这类电池的模拟显示，其潜在储能可达 2600 Wh kg-1，是锂离子电池（当前储能市场无可争议的领导者）的三倍。
与其他电池一样，锂硫电池也包含负极，在这种电池中，负极含有在电极之间迁移的锂离子。锂硫电池的负极不使用镍或钴等稀缺金属，而是含有硫。硫极为常见，按质量计在地球上含量排名第 5 位，既能节省成本，又能避免采矿问题。
问题在哪里？
锂硫电池看似代表着未来，但也存在明显的缺点。一般的锂离子电池可经受 2000 次充放电循环；而直到最近，锂硫电池在不损失储能能力的前提下只能承受其中一半的循环次数。在电池运行过程中，锂硫电池的正极会发生高达 80% 的体积变化，这与该结构中的相变有关。如此巨大的尺寸变化会对电解质施加压力，可能损害其完整性。
电池中的化学过程涉及锂和硫形成离子形态。由此产生的问题之一在于硫化物氧化还原化学的本质：它包含若干中间步骤，可能生成不希望出现的副产物——多硫化物。多硫化物会从多个方面损害锂硫电池。首先，多硫化物反应活性高，会与电解质相互作用并腐蚀电解质。此外，这些中间产物的物理化学性质使其可溶于电解质，从而使其脱离电池可用的离子库。最后同样重要的是，硫化锂 (Li2S) 可能以盐的形式在负极析出，形成不断增厚的不溶层，阻碍离子迁移，进而阻断锂的传输。
锂本身在锂硫电池中也可能带来问题。枝晶是锂析出时形成的结构。锂的导电性很高，当枝晶长到足以连通正极和负极时，就会发生短路。
锂硫电池注定失败吗？
我们已经看到，锂硫电池存在明显的弱点，使其难以与广泛使用的锂离子电池竞争。但我们也看到，它们具有一些特别吸引人的优点，尤其是使用硫这种如此常见的元素，以及有望存储更多能量。正因如此，自 20 世纪 60 年代首次被设想为潜在可行的储能器件以来，对锂硫电池的研究从未停止。
针对这类电池的大量研究已取得实质性进展，使锂硫电池更具吸引力。例如，开发出带有纳米孔的绝缘隔膜，既允许锂离子自由移动，又能阻止多硫化物离子迁移，从而避免沉积现象。据报道，结合耐膨胀电极的开发，锂硫电池的性能已提升至接近理论值的水平。最后，对替代电解质的研究也至关重要，因为现有电解质仍容易分解，并可能引发热失控。
通往电气化未来之路
电池技术的进步正开始使锂硫电池成为锂离子电池主导市场中潜在的有力竞争者。在对更大容量电池需求日益增长的背景下，其作为高性能储能系统的潜力越来越受青睐。锂硫电池的前景在于其出色的能量密度以及硫——与当前锂离子电池所用金属相比，硫储量更丰富、问题也更少。历来阻碍锂硫电池发展的障碍正在被逐一系统地解决。纳米孔隔膜和创新电极结构等策略已初见成效。
随着创新的推进，锂硫电池的应用规模有望扩大，并可能在电池供电解决方案中占据核心地位。持续的研究对于满足能源需求、同时减轻电池对环境的负担至关重要。随着当今社会走向电气化，锂硫电池的发展路径已十分清晰：攻克技术障碍，并扩大生产规模以实现大众市场应用。
