实际续航里程超过1,000公里：这种锂硫电池通过氯元素实现477瓦时/公斤的能量密度。
15多年来，我们一直在探讨一种具有巨大潜力的电池化学技术——锂硫电池。它长期以来被视为突破现有电池局限性的最具前景的替代方案之一。硫元素储量丰富、价格相对低廉，且单位质量下的储能能力极高，但其实际应用却面临诸多问题，尤其是与较低的工作电压、电池内部的降解现象以及硫化合物的移动有关的问题。
现在，范德比尔特大学和马里兰大学的一组研究人员在其他美国机构的科学家合作下，找到了另一种利用硫特性的方法。这项发表在《自然·能源》上的研究通过改变常规的化学反应，使硫能够在充放电过程中参与额外的反应过程。
关键在于一个看似简单却难以实现的目标：让每个硫原子都能交换第三个电子。在传统的锂硫电池中，硫参与的反应涉及两个电子。研究人员引入了氯元素来扩展这一反应，从而使硫进入另一种化学状态。
这一成果尤为引人注目，因为它不仅增加了硫能够储存的电量，而且新的反应机制还能在更高的电压下运行，从而同时改善决定电池储能能力的两个关键因素：电量以及输出电压。
第三个电子为硫带来了新可能
在团队进行的测试中，这种新化学物质使硫的比容量提升了58%，而工作电压则从约2.05伏上升至2.54伏。这样的组合使得电极层面的能量密度超过了1,700瓦时/千克，对于一种实验性电池而言这一数值极为惊人。
它与传统的锂硫电池的区别在于氯元素所引发的额外反应。研究人员通过一种过程将锂硫化物可逆地转化为二硫化物二氯化物，在该过程中每个硫原子参与三个电子的转移，而非通常的两个电子。
这一点非常重要，因为硫在与其他电极材料相比时已具备独特优势。其丰富的储量以及极高的比容量使得多年来人们一直将其作为锂离子电池现有材料的替代品进行研究，但至今要充分挖掘其潜力而不引发新问题仍十分困难。
该团队在能够实现第三电子的可逆利用之前，必须先解决其中一个问题。充电过程中氯需要与硫发生反应，但生成的化合物不能在电池内部移动并最终与金属锂电极发生反应。
为达成这一目标，研究人员采用了分子模拟技术，以此研究锂离子和氯离子在不同电解质中的行为。基于这些结果，他们开发出一种富含氯离子的液态离子电解质，能够持续提供与硫反应所需的氯离子。
他们还选择了一种成分，使得硫与氯反应生成的产物不易溶解。这样该产物就会留在正极内部，并在放电过程中再次参与反应，从而使整个过程具备可逆性。
通过多种光谱技术进行的实验证实，硫在充放电过程中确实会反复进入这种新的化学状态。因此，这并非仅仅是对硫可能表现出的行为的理论推测，而是研究人员在实验室中成功观察并重复的化学反应。
不过，1,700瓦时/公斤这一惊人的数值与完整电池的实际性能之间存在显著差异。该数值仅反映电极层面的能量密度，并不代表可直接安装于电动汽车中的电池组的能量密度。当研究人员将构建功能性电池所需的其他组件也考虑进来时，这一数值会大幅下降。
具体而言，研究团队估计该技术在整个电池组层面的能量密度可达477瓦时/公斤，比研究中作为参考的常规锂硫电池系统高出约37%。这一数值仍基于实验设计得出的估算值，并非目前可安装于汽车中的商用电池的实际性能。
为验证这种新化学体系能否在研究初期常用的小型电池之外也能正常工作，科学家们还制造了一种单层结构的袋状小型电池。经过100次充放电循环后，它的容量仍保持了初始值的78%。
这一数据既证明了该反应可以重复进行，也表明仍有很多工作需要完成。这种实验电池使用了金属锂电极、相对少量的硫，以及比商用电池所需的更高浓度的电解质。
这正是将这种化学技术应用于电动汽车时所面临的最大挑战之一。仅仅在活性材料中实现高能量密度是不够的，还必须减少电解质的用量、提高活性材料的比例、延长使用寿命、控制副反应，并确保整个系统能够以经济的方式大规模生产。
不过研究显示，硫元素仍具有超出人们预期潜力的空间。研究人员没有仅仅致力于改进传统的锂硫电池，而是改变了化学反应机制，从而利用额外的电子并同时提升其工作电压。
目前，谈论电池能量密度能超过1,700瓦时/千克的电动汽车，无异于将两种完全不同层次的研究混为一谈。这一数值仅适用于实验性电极。研究人员在考虑系统的主要组成部分后，将估算值定为477瓦时/千克，而在实现商用电池之前还有许多障碍需要克服。
尽管如此，这一成果对汽车行业而言仍具有重要意义：如果电池的实际能量密度能接近数百瓦时/千克，那么在保持相同续航里程的前提下就能使用更轻的电池组，或者在不按相同比例增加车辆重量的情况下大幅提升续航里程。这正是锂硫电池多年来一直备受研究关注的原因之一。
发表在《自然·能源》上的这项研究表明，实现这一目标的途径并不一定非要增加更多材料或改进传统电极。在本案中，解决方案是让硫参与三电子反应，并利用氯以及专门设计用于控制该过程的电解质。
这项技术仍处于非常早期的阶段，袋式电池的循环测试结果也反映了这一状况。但该实验为硫锂电池开辟了新的发展方向，更重要的是，它证明了即便从像硫这样储量丰富的材料中，依然有办法提取更多能量。