2025年鋰硫電池行業現狀分析：提高其離子電導率

  中國報告大廳網訊，2025年，鋰硫電池行業呈現出快速發展的態勢。鋰硫電池因其超高能量密度(高達2600 Wh/kg，是傳統鋰離子電池的3~5倍)以及成本低廉、環境友好等優點，被認為是最具潛力的二次電池體系之一。然而，液態鋰硫電池存在的穿梭效應、鋰枝晶生長等問題，限制了其商業化應用。全固態鋰硫電池的出現為解決這些問題提供了新的思路，推動了鋰硫電池技術的發展。

  一、鋰硫電池的全固態電解質研究背景

  《2025-2030年中國鋰硫電池行業運營態勢與投資前景調查研究報告》指出，全固態鋰硫電池通過使用固態電解質替代傳統的液態電解液，有望從根本上解決液態鋰硫電池中存在的穿梭效應，同時改善電池的循環穩定性、能量密度和安全性能。然而，固態電解質的引入也帶來了一系列新的挑戰，包括電解質/電極界面接觸不佳、化學/電化學穩定性差、電導率低等問題。這些問題的存在，限制了全固態鋰硫電池的進一步發展和商業化應用。因此，研究和開發高性能的固態電解質材料，成為解決這些問題的關鍵。

  二、鋰硫電池的硫化物固態電解質研究進展

  (一)硫化物固態電解質的離子電導率

  硫化物固態電解質因其出色的離子電導率(10⁻³~10⁻² S/cm)和良好的機械特性而備受關注。離子電導率直接影響全固態鋰硫電池的電化學性能，決定了鋰離子在電解質中的遷移速率，從而影響電池的極化電壓、倍率性能和循環穩定性。為了提高硫化物固態電解質的離子電導率，研究者們主要通過摻雜改性手段。例如，通過摻雜不同元素，可以改變硫化物電解質的晶體結構和鋰離子的化學環境，從而優化鋰離子的遷移通道和遷移勢壘。Yu等通過In₂S₃摻雜劑製備了Li₆.₉₃P₂.₉₇In₀.₀₂S₁₀.₉₂電解質，其離子電導率提升至2.9×10⁻³ S/cm，顯著提高了電池的電化學性能。

  (二)硫化物固態電解質的空氣穩定性

  硫化物固態電解質在空氣中的不穩定性是其商業化應用的主要障礙之一。硫化物電解質中的多硫化物暴露於空氣中會與H₂O反應分解，導致電解質結構破壞和電化學性能下降。為了解決這一問題，研究者們通過摻雜不同的元素，改變硫化物固態電解質中S元素的化學環境，從而提高其空氣穩定性。例如，通過摻雜Sb⁵⁺等軟酸元素，可以減少與空氣中水分的反應，顯著提高電解質的空氣穩定性。

  (三)硫化物固態電解質的電解質/電極界面

  良好的電解質/電極界面接觸可以降低電池內部的電阻，提升鋰離子的遷移速度，從而提高電池的充放電效率和循環穩定性。目前，研究者們通過電解質摻雜、原位生成動力學穩定界面層等方式來優化電解質/電極界面。例如，Zhou等通過雙摻雜策略，將Ce₂S₃和LiCl摻雜入Li₇P₃S₁₁合成了Li₇P₂.₉Ce₀.₂S₁₀.₉Cl₀.₃玻璃陶瓷電解質，顯著降低了電解質/Li₂S界面電阻，提高了電池的循環壽命。

  三、鋰硫電池的聚合物固態電解質研究進展

  (一)聚合物固態電解質的離子電導率

  聚合物固態電解質具有柔性、易加工、界面接觸良好等優點，是全固態鋰硫電池中最常用的固態電解質之一。然而，聚合物固態電解質在室溫下的離子電導率較低，通常需要在高溫下工作。為了提高聚合物固態電解質的離子電導率，研究者們通過添加無機填料、製備超薄膜等手段來優化電解質的性能。例如，Chen等通過雙接枝聚矽氧烷共聚物、LiTFSI和PVDF製備了一種具有高離子導電性的聚合物包鹽電解質，其室溫下離子電導率達到7.8×10⁻⁴ S/cm。

  (二)聚合物固態電解質的界面穩定性

  聚合物固態電解質與電極材料之間的固固接觸浸潤性不足，導致較大的界面阻抗，影響電池的整體性能。為了提升聚合物電解質/電極界面兼容性與穩定性，研究者們通過有機/無機複合、人工SEI以及原位SEI等手段來提高聚合物電解質/電極界面穩定性。例如，Santiago等通過添加Li[N(SO₂CF₂H)(SO₂CF₃)(LiDFTFSI)無機鹽添加劑，原位形成了具有良好機械完整性和優良鋰離子導電性的LiF層，顯著提高了電池的界面穩定性。

  (三)聚合物固態電解質的多硫化物穿梭效應

  儘管固態電解質的引入有望解決液態鋰硫電池中的穿梭效應，但多硫化物仍然能在聚合物電解質中溶解和穿梭，導致電池性能下降。為了抑制多硫化物的穿梭效應，研究者們通過添加吸附劑、S正極包覆等方法來優化電池性能。例如，Wei等通過使用C₆₀作為多功能添加劑，不僅可以降低Li₂S的生成能壘，還可以吸附多硫化物，延緩其穿梭，顯著提高了電池的庫侖效率和循環穩定性。

  四、鋰硫電池的未來研究方向

  鋰硫電池行業現狀分析指出，全固態鋰硫電池的發展仍面臨諸多挑戰，包括固態電解質的離子電導率、電解質/電極界面穩定性、多硫化物的穿梭效應等問題。未來的研究方向應集中在以下幾個方面：

  硫化物固態電解質體系：進一步優化硫化物固態電解質的摻雜策略，提高其離子電導率和空氣穩定性，同時探索其在電化學服役過程中的反應機制。

  聚合物固態電解質體系：深入研究聚合物電解質的導鋰機制，開發室溫下高離子電導率的聚合物電解質，優化電解質/電極界面穩定性。

  界面演變探測技術：開發精確探測固-固界面演變的技術，揭示界面在電化學過程中的實時成分、結構和形貌變化，為設計優化界面穩定性提供科學依據。

  通過進一步研究和優化固態電解質材料，全固態鋰硫電池有望在高比能、高安全、低成本等方面取得突破，為新能源產業的發展提供有力支持。

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