全固態鋰硫電池（ASSLSBs）進展|高比能電極與穩定界面的構筑

全固態鋰硫電池ASSLSBs作為下一代儲能技術的代表，因其高理論能量密度（可達2600 Wh/kg）、優異的安全性和低成本潛力而備受關注（圖1）。其正極材料通常采用硫化鋰（Li?S）或單質硫，其中Li?S作為預鋰化材料，固態電解質包括有機（聚合物）/無機（氧化物/硫化物/鹵化物）以及復合電解質。負極材料為金屬鋰。金屬鋰具有很高的理論比容量（3860mAh/g）和極低的電極電位（相對于標準氫電極 -3.04V ），能夠提供高的電池電壓和能量密度。

然而，ASSLSBs的商業化仍面臨復合正極設計、界面穩定性、體積變化管理及規模化制備等挑戰，需通過材料創新和結構優化來突破瓶頸（圖2）。

圖1  全固態鋰硫電池概述圖

圖2  鋰硫固態的挑戰

圖片來源：Nano-Micro Lett. (2024) 16:172

ASSLSBs的性能高度依賴于關鍵材料的創新。

正極材料方面，研究聚焦于提升硫的導電性和利用率。例如，孫學良院士團隊設計了一款新型正極（圖3a），其結構為納米級的硫化鋰嵌入到非晶態的硫化鐵鋰基體中，正極展現出優異的長期循環穩定性，經過 320 次循環后容量保持率仍超過 99%。當正極中活性物質含量為 48%、質量負載量為 19.1mg·cm-2時，其面容量可達 13.2mAh/cm-2。福州大學王星輝教授團隊與湖南大學魯兵安教授團隊合作制備了垂直石墨烯-硫化鋰復合薄膜正極 (VGs-Li?S) （圖3b），在全固態電池的體系中保持超過3000次循環的穩定循環并提供5.79 μAh·cm?²的放電面積比容量(容量保持率為81%)。

固態電解質的創新研究很多，例如新型的硫銀鍺礦電解質經過 230 次循環仍能實現2mAh·cm?²的面容量；而在60 度時，可獲得11.3m Ah·cm?²的高容量，且容量保持率為 90%（圖3c）；雙約束拓撲聚合物電解質（DCTPE）具有強吸附能力和界面增強作用，可實現鋰離子的均勻沉積與快速遷移。因此，Li-SPAN 電池在 1C 倍率下展現出優異的循環穩定性，可穩定循環 1200 次以上。更重要的是，在軟包全電池測試中，該電池在 0.5C 倍率下仍能穩定循環 500 次且無明顯容量衰減，容量保持在 1134.4 mAh·g-1，容量保持率高達 95.4%（圖3d）。

圖3  (92Li2S@8LiFeS2)復合正極（a）；VGs-Li?S復合薄膜正極（b）Nano-Micro Letters (2023)15: 73；硫銀鍺礦（Li6PS5Cl）電解質（c）Nature Materials | Volume 24 | July 2025 | 1082–1090；雙約束拓撲聚合物電解質（DCTPE）（d）Adv. Funct. Mater. 2025, 2506355。

工業應用上，潛在的工業應用場景有電動汽車，無人機，水下機器人，穿戴設備等等，目前研究最多的還是電動汽車（表1）。

表1  鋰硫固態潛在應用場景及核心需求

短期目標（2025-2027）是優化硫化物電解質成本，實現無人機 / 穿戴設備小批量應用，能量密度穩定在 500Wh/kg；中期目標（2028-2030）是車企量產 SSLSBs 電池（如蔚來 ET Flyzer 電動飛機），適配電動車續航 1500km，成本降至 100 美元 /kWh；長期目標（2030+）拓展至深海探測、航空航天，開發 “無鋰陽極” SSLSBs，能量密度突破 1000Wh/kg。

>國際層面：美國能源部 “EVs4ALL”計劃為固態電池研發提供資金支持，Solid Power 聚焦硫復合正極，Lyten 推進先進鋰硫電池制造；

>國內層面：中國出臺 “上海市新能源儲能示范創新發展工作計劃”，成立固態電池產業創新聯盟，車企計劃 2026-2030 年實現 SSLSBs 量產裝車；

技術瓶頸主要集中在四個方面：

>功率密度不足：固態電解質離子電導率低（聚合物室溫 < 10?? S/cm），硫正極電子導電性差，導致快充慢、高倍率放電能力弱；

> 循環壽命短：充放電時硫正極體積膨脹（~80%），電極-電解質界面開裂；

>實際能量密度低：實驗室只算活性材料（硫 + 鋰），忽略 inactive 組件（電流集流器、封裝占比超 50%），軟包電池實際能量密度常不足 300Wh/kg；

>產業化難：硫化物電解質怕水氧（需惰性氣氛組裝）；硫化鋰價格昂貴；現有鋰電產線無法直接適配。

根據上述一些技術瓶頸，目前也可通過先進技術賦能去解決（圖4），比如人工智能（AI）加速研發：機器學習（ML）模型可預測固態電解質離子電導率，減少試錯實驗；通過主動學習生成 3000 + 界面結構數據，優化陰極 - 電解質界面設計；3D 打印革新制造：噴墨打印實現 2.8μm 超薄電解質原位制備，溶劑移除過程中實現 Li?S@CNT 正極與電解質一體化成型；未來研究建議聚焦器件級優化，平衡性能與成本，明確技術定位以及加強跨學科合作。

圖4  先進技術賦能鋰硫固態制備