贵州梅岭电源有限公司 贵州省遵义市 563003摘要：目前，随着便携式电子设备、新能源电动汽车等领域的不断发展，对电能源系统的要求也越来越高，锂离子电池将渐渐不能满足发展的需要。在军事领域，随着空间技术、军事信息化装备的迅速发展，对于高性能电池的需求也急剧增加。无论信息战、太空战、空间战、水下战或者新一代无人作战平台，电能源系统已经成为装备发展的关键因素，作为电能源系统的最主要构成部分的电池，要求具有越来越高的能量密度、比功率等特性。特别是新一代无人平台，如微型无人机、长航时太阳能无人机、平流层飞艇、水下潜航器等，对电池提出了高比能量、长寿命、高安全性、温度适应性好等更高的要求。 锂硫电池技术基于氧化还原反应机理，单质硫作为正极材料，理论容量高迖1675mAh/g，是目前商业化正极材料的5～10倍，与金属锂负极组装电池，理论质量能量密度高达2500Wh/kg，体积能量密度高达2800Wh/L，完全可以达到新能源汽车动力电池标准，而且单质硫储量丰富、成本低廉、环境友好、安全可靠。锂硫电池是下一代极具应用前景的电池储能系统，具有重大的研究价值。
1.国外产业情况及技术水平
对锂硫电池研发最出名的国外公司以Oxis和Sion Power为主。Sion Power公司研发的锂硫电池主要涉及无人机、地面车辆、电动车和军用便携式电源四个领域。早在上世纪九十年代，该公司就致力于研发未来具有发展性的高能量密度锂硫电池。十年后，Sion Power 公司就成功地研发能量密度大于350Wh/kg的锂硫电池。到2010年7月，该企业已将研发出的锂硫电池实现在大型无人机，白天飞行时，由太阳能电池运行并对锂硫电池储能，晚上飞行时动力来源于锂硫电池，打破了三项无人机飞行世界纪录：飞行高度2万米以上、工作温度最低-75℃、连续飞行14天。2014年9月，该公司的锂硫电池再次成功应用于新一代“Zephyr 7”无人机的试飞。Zephyr无人机将作为英国空军特别部队（SAS）未来的最新装备，Sion Power公司为Zephyr无人机配套的锂硫电池工作电压25.2V、容量6.6Ah，采用单体电池12串3并设计，电池包的比能量为260Wh/kg。由此可以预见，锂硫电池将来可能先应用在无人机领域，特别是对未来超长时间飞行无人机的发展可以起到非常大的推动作用。
英国Oxis能源企业对于锂硫电化学领域的探究也超过15年，也是高能量密度电池系统锂硫电池技术企业。该公司制备了具有2.1V的规范电压，10~35Ah的锂硫软包电池，最高的能量密
度达到了400Wh/kg，且具有极好的安全性能，即使在钉子刺穿的情况下电池也不起火不冒烟。2017年9月，Oxis公司与美国NASA就高能量锂硫电池项目达成合作协议，并将最新一代能量型锂硫电池提供给NASA喷气推进实验室（JPL）进行相关测试，双方计划将锂硫电池技术应用于无人机、气球、高空飞机以及地球和星际飞行任务等。
美国PolyPlus公司早在90年代即开发了非水电解质体系锂硫电池并拥有相关专利，后续又开发了水系电解质锂硫电池，极大地改善了电池的能量密度和循环寿命。该公司预期规划锂硫电池的能量密度达到400Wh/kg、600Wh/L以上，循环寿命达到几百次且容量没有明显的衰减。据报道，其制备的2.1Ah锂硫电池的比能量已达420Wh/kg、520Wh/L，循环寿命超过200次。
Airbus（空中客车公司）早在2014年时，就凭借研发的锂硫电池助力“西风7”完成连续飞行十一天的任务。此外，2018年10月4日，来自日本的海上自卫队的十一号艇顺利地举行入水仪式，“应龙”号搭载的锂硫电池所适配的能量密度接近400Wh/kg（电池组件总成能量密度400Wh/kg，锂硫电池的电芯能量密度大于500Wh/kg），装载电量超过1万度电。
2.国内产业情况及技术水平
中国科学院大连化物所陈剑团队开发出大容量锂硫电池及电池组技术，并研制出我国第一套具有自主知识产权的12kWh锂硫电池—光伏电池联合示范系统，为实现锂硫电池在储能电站、车用动力电源等领域的实际应用奠定了技术基础。2018年11月，我国第一架由锂硫电池驱动的大翼展高空无人机在我国西北某机场首飞成功。该无人机采用的锂硫电池系统就是由陈剑研究员领导的先进二次电池研究团队研发。大连化物所的另一个研究团队—张华民研究团队，研制的软包装锂硫一次电池在0.001C的倍率下可以达到900Wh/kg以上的比能量。
中科派思储能技术有限公司是大连化物所以锂硫电池技术实施产业化的合资公司，现已建成了6700余平现代化锂硫电池生产车间和自动生产线，产能300万Ah/年，是我国第一家专门从事锂硫电池生产和销售的公司，也是中科院纳米先导专项锂硫电池产业化基地。
此外，2017年12月，安源区人民政府与江西省萍乡市清安锂硫科技有限公司举行新能源项目签约仪式。新能源项目总投资15亿元，选址安源工业园，项目主要包括建设锂硫电池新能源实验室，建设10条锂硫电池生产线，实现年产10亿安时的锂硫动力及储能电池。
3.锂硫电池专利情况
升华硫的储量丰富、价格低廉，对锂硫电池的研究受到科研工作者的关注。从创新活跃度来看，专利申请数量和人数2009年为28件、19人次，2018年达到峰值的896件、322人次，2019年也有594件、244人次，锂硫电池的研究热度在近几年达到了高峰.
从图1全球研发创新区域来看，锂硫电池的研发创新区域主要集中于中国、美国、韩国、德国和日本，2010年以前，韩国有权专利为91件，中国为71件，到2020年年初，中国的有权专利已经达到3383件，占全球总量的53%。
图1 全球锂硫电池研发创新活区域分析统计表
从图2的创新主体和专利状态来看，有权专利排名靠前的是：中国科学院大连化学物理研究所（49件）、罗伯特•博世有限公司（45件）、中南工业大学（44件）、三星SDI株式会社（39件）、浙江大学（29件）、清华大学（26件）通用汽车环球科技运作有限责任公司（23件）。中国高校对锂硫电池的研究热情持续升温中，这也与中国锂硫电池专利总数量的激增相呼应。
图2 锂硫电池主要创新主体和专利状态统计表
从以上专利分析可知，科研工作者，尤其是中国的科研工作者，对锂硫电池的未来市场非常重视，这也与中国的新能源政策息息相关，锂硫电池的发展恰恰反应出市场，准确地来说是
新能源市场，对高能量密度、低成本的能源电池的需求，而锂硫电池恰好是下一代最有希望替代锂离子电池的能源之一。
综上所述，锂硫电池的研发国内外基本处于同步状态，但相比国际上主要由公司牵头研发锂硫电池的现状，且能够拥有相关独有的专利技术，国内主要集中在高等院校、科研院所等，研究力量分散，重复性工作较多，虽然目前国内研发的锂硫电池在比能量等指标上已经达到国际先进水平，但该技术基本处于实验室研究阶段，大多数研究者尚不能将材料进行量化制备生产，实际应用方面比较少，产品转化缓慢，电池的寿命可靠性、安全性、一致性研究仍有很大的不足，技术成熟度还明显低于国外水平。国内近两年开始注重锂硫电池技术的成果转化，并有相关公司成立，但仍处于建设阶段，尚未实现锂硫电池产品的生产销售和产业化应用。
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