Fraunhofer Institute 的锂硫电池新进展
本周，位于 Dresden 的 Fraunhofer Institute 团队展示了下一代固态锂硫 (Li–S) 电池的实验室结果，该结果将能量密度推向了交通应用的新高度。在早期测试中，研究人员报告的比能量超过 600 瓦时/千克 (Wh/kg)——显著高于大多数商业锂离子电池——并表示其目标是在商业化电池中达到约 550 Wh/kg，且成本低于每千瓦时 86 美元。该公告是在国家和欧洲层面资助的两项协调研发努力下发布的，该团队表示，材料组合与无溶剂涂层工艺的结合可使该技术与现有的电池生产线兼容。
一个持久的化学难题
锂硫设计在理论上一直极具吸引力，因为硫储量丰富、价格低廉，且具有极高的理论容量——大约是典型锂离子正极化学材料质量能量密度的两倍。然而在实践中，Li–S 电池很难在多次充放电循环中存活。主要罪魁祸首是所谓的“多硫化物穿梭” (polysulfide shuttle)：中间硫物质在循环过程中溶解到电解质中，迁移到负极，并引发副反应，导致容量迅速流失并缩短寿命。传统电池使用液体电解质，这使得溶解和迁移更加容易，因此，如何稳定活性材料一直是锂硫电池研究数十年来的瓶颈。
How the Fraunhofer approach works
这一实际细节至关重要，原因有二。首先，固态电解质提供了一个物理屏障，可以限制溶解的硫种类的移动，从而降低容量衰减。其次，无溶剂工艺减少了制造能耗和二氧化碳排放，而且根据该团队的说法，该工艺可以适配现有的锂离子生产线，而不是强制进行完整的工厂重建。该研究正通过两个项目推进：一个是名为 AnSiLiS 的德国国家级计划，另一个是名为 TALISSMAN 的欧洲 Horizon Europe 项目，两者都旨在克服 Li–S 电池在运输和工业用途中的障碍。
这对电动汽车可能意味着什么
如果所报告的能量密度能够经受住规模化生产和现实世界测试的考验，对电动出行的影响将是巨大的。更高的质量能量密度使设计人员能够要么在给定车辆质量下延长续航里程，要么在保持续航里程不变的情况下减轻电池重量。更轻的车辆加速更高效，对悬架和轮胎的长期负载更小，并且由于需要补充的质量更少，充电速度可以更快。从实际角度来看，电池包层级达到 500–600 Wh/kg 的电芯可以让乘用车的续航里程远高于目前的中端车型，同时降低每公里的原材料需求。
环境和供应链方面也有优势。硫是化石燃料炼制的副产品，其丰度比钴、镍或其他一些电池金属高出几个数量级。向高硫正极的转变将减少对稀缺关键原材料的依赖，并可能降低成本。Fraunhofer 团队还指出，与传统的湿法涂层路线相比，DRYtraec 工艺可减少高达 30% 左右的生产能耗和二氧化碳排放——这是 Li–S 电池未来在大规模应用时可能更加环保的早期迹象。
制造、排放与成本
Dresden 团队工作的一个诱人之处在于其与当前锂离子制造基础设施的兼容性。可改装的工艺对行业非常友好：与围绕奇特工艺构建全新的生产线相比，工厂可以更快地进行改造，且资本支出更低。研究人员设定了一个明确的商业目标——成本低于 $86/kWh，能量密度约为 550 Wh/kg。如果实现，这将在电动汽车市场具有竞争力，因为每千瓦时成本仍然是买家的核心指标。
更低的电芯成本和更轻的系统将共同降低电动汽车买家的总拥有成本，并减轻充电基础设施的一些压力，因为更轻的汽车加速和减速更高效，因此在驾驶循环中消耗的峰值功率更少。即便如此，从实验室到生产线的道路也是一条从理想化性能走向产量、质量控制和长期耐用性等杂乱现实的道路。
障碍：循环、规模化与安全
实验室比能量数据是一个重要的里程碑，但并非故事的全貌。早期结果很少能涵盖电池包层级的工程损耗、高倍率充电行为或汽车温度波动下的日历寿命。Li–S 电芯还必须应对机械应力：硫在反应时体积会发生变化，而固态电解质本身必须在膨胀和收缩的情况下保持离子接触。固态电解质与电极之间的界面电阻也可能限制功率输出。
安全是另一个需要详尽测试的领域。固态电解质通常被认为比易燃的液体电解质本质上更安全，但每种新材料和堆叠几何结构都会引入新的失效模式。在一种电池化学体系能够被信任并应用于数百万辆道路车辆之前，汽车认证需要进行数千小时的加速循环、穿刺、热失控和碰撞测试。
资金、时间线与后续步骤
Fraunhofer 团队正在受资助的研究联盟内推进这项工作：一个是德国国家项目 (AnSiLiS)，另一个是欧洲 Horizon Europe 项目 (TALISSMAN)。这些框架明确旨在将实验室化学成果转化为演示原型和中试生产。该团队表示，预计未来几年将出现完整的原型；商业化扩张将取决于电芯是否能在保持其提议的成本区间内，达到所需的循环寿命、安全指标和制造良率。
这不是单个实验室的努力。行业应用将需要电池制造商、汽车制造商和设备供应商进行大规模材料验证，在必要时改造电极涂层线，并制造用于车辆测试的中试电池包。监管机构也需要评估长期安全性。如果在未来几年内这些要求都能达到，Li–S 固态电池可能会成为电动汽车工具箱中的一个全新选项——补充锂离子电池的渐进式改进以及对其他化学体系日益增长的兴趣。
就目前而言，来自 Dresden 的新闻是技术上的进步，而非成品。它用现代加工技术重新点燃了一个古老的承诺——硫的高质量比能。真正的考验将是寿命和可制造性：电芯在行驶数千公里、重复快速充电以及严寒酷暑的现实压力下是否依然表现良好。如果能做到，汽车制造商和买家都将感受到实际的影响；在此之前，这一公告只是漫长且昂贵的汽车应用道路上一个令人振奋但经过谨慎评估的中继点。
Sources
- Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (Fraunhofer IWS), Dresden (固态锂硫电池及 DRYtraec 加工工艺研究)
- AnSiLiS 项目 (德国联邦研究计划)*
- TALISSMAN (Horizon Europe 研究项目)
- DRYtraec 无溶剂涂层制造方法 (Fraunhofer IWS)
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