一項最新研究闡述了鋰硫電池如何可能最終突破當今鋰離子電池在充電速度和性能上的限制。

在全球向電動出行轉型的過程中，電池所需的充電時間仍然是電動汽車（EV）面臨的一個重大障礙。

當今的鋰離子電池需要20到30分鐘才能從20%充至80%，而完全充滿電通常耗時更久，并且高速充電會隨著時間推移損耗電池單元。

然而，基爾大學（Kiel University）的一項新國際研究表明，鋰硫電池（LSBs）可能很快將改寫這些局限。

12分鐘充滿100%

由德國基爾大學的莫扎法爾·阿卜杜拉希法爾（Mozaffar Abdollahifar）博士協調、最近發表在《先進能源材料》上的國際研究概述了鋰硫電池（LSBs）如何可能最終克服當今鋰離子電池系統在速度和性能上的限制。

基于對數百項最新研究的分析，來自德國、印度和中國臺灣的研究人員提供了一份路線圖，展示了鋰硫電池如何能夠實現30分鐘以內的充電時間（某些情況下甚至可能低至12分鐘），同時提供更高的能量密度和更強的安全性。

鋰硫電池設計的核心是硫正極與金屬鋰負極的組合。這種組合的理論容量高達每公斤2600瓦時（Wh/kg），接近傳統鋰離子電池能量密度的十倍。

對于電動汽車而言，這意味著單次充電的續航里程顯著延長，這是消除消費者里程焦慮的關鍵一步。硫是一種安全、環保的材料，既便宜又易得。與供應鏈脆弱且存在倫理問題的鈷和鎳相比，這使其成為一個極具吸引力的選擇。

鋰硫電池的挑戰

然而，鋰硫電池技術面臨著重要挑戰。硫的導電性差，因此需要與碳基材料混合以有效傳導電荷。這些材料增加了設計的重量和復雜性。此外，硫正極在充放電循環中會發生高達80%的體積膨脹和收縮，降低了機械穩定性并縮短了電池的使用壽命。

或許最棘手的問題是“穿梭效應”（shuttle effect），即中間產物多硫化鋰化合物在正負極之間遷移，引發不必要的副反應并導致效率損失。這個問題不僅會降低性能，還會在長期循環中造成不穩定性。

另一個主要挑戰是鋰金屬負極上的枝晶形成。這些微小的針狀結構在反復充電循環中生長，可能導致短路，在某些情況下甚至引發電池起火。正如主要作者雅各布·奧夫曼（Jakob Offermann）所解釋的那樣，防止枝晶生長對于確保下一代電池的安全性和可靠性至關重要。

解決方案與進展

該綜述研究指出了實現快速充電鋰硫電池同時保持安全性和高性能的科學與工程策略。

一個關鍵重點是使用先進的碳基材料（如石墨烯、納米管和多孔活性炭結構）來增強正極設計，以改善電子和離子的傳輸。其他進展包括使用催化材料（如金屬氧化物和單原子催化劑）來加速硫轉化反應并抑制穿梭效應。研究人員還在探索改進隔膜和高濃度電解質，以限制多硫化物的遷移并實現快速的離子交換。

穩定鋰負極仍然是優先事項。正在測試保護性表面涂層和工程化的3D鋰結構，以抑制枝晶形成并延長電池壽命。同時，研究人員正在試驗新型硫形態，如單斜晶系γ-硫（monoclinic gamma-sulfur），它可能實現直接的固態反應，從而有效完全繞過穿梭效應。

人工智能（AI）

人工智能正越來越多地用于優化這種復雜的材料格局，預測能在能量密度、穩定性和充電速度之間提供最佳平衡的組合。

據阿卜杜拉希法爾博士稱，早期原型已經展現出令人鼓舞的性能，在實際充電速率下實現了約2 mAh/cm2的能量密度。“我們的分析表明，實現低于30分鐘，某些情況下甚至低于15分鐘的快速充電時間是現實的，同時還能提高容量，”他說。“但要讓鋰硫電池真正超越鋰離子系統，仍需在材料負載和結構集成方面進一步改進。”

國際合作與未來展望

這項研究通過國際合作得以實現，得到了德國聯邦教育與研究部（BMBF）、歐盟區域發展基金、印度希夫·納達爾杰出學府（Shiv Nadar Institution of Eminence）以及臺灣地區科學主管部門的支持。這項跨學科的努力涵蓋了材料科學、電化學、納米技術和能源工程，為應對儲能領域最緊迫的挑戰之一指明了整體解決方向。

目前，在喝杯咖啡的時間內為電動汽車充滿電仍然是一個未來的愿景。但由基爾大學領導的團隊提出的路線圖若被證明成功，這個未來可能比預期更快到來，為正在迅速超越化石燃料的世界提供充電更快、更清潔、更安全且更持久的電池。

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